水分子雖然是獨立的粒子，但它卻像液體一樣集體流動並創造出水流、波浪、漩渦和其他經典的流體現象。這跟電不一樣。雖然電流同樣是由不同的粒子構成–在這種情況下是電子–但這些粒子非常得小，以至於當電子通過普通金屬時，它們之間的任何集體行為都被更大的影響所淹沒。
然而，在特定的材料和特定的條件下，這種影響會逐漸消失，電子則可以直接相互影響。在這些特定情況下，電子可以像流體一樣集體流動。
現在，來自麻省理工學院(MIT)和魏茨曼科學研究院的物理學家們終於觀察到了電子在旋渦中流動–這是理論家們預測電子應該表現出來的流體流動的一個標誌，但在現在之前從未見過。
MIT物理學教授Leonid Levitov說道：“電子渦流在理論上是可以預期的，但一直沒有直接的證據，眼見為實。現在我們已經看到了它，它是處於這個新體系中的明顯標誌，在這個新體系中，電子的行為是一種流體，而不是單個粒子。”
相關研究文章已於7月6日發表在《Nature》，這些觀察結果可以為設計更高效的電子產品提供參考。
“我們知道當電子處於流體狀態時，（能量）耗散會下降，這對試圖設計低功耗的電子產品很有意義。這個新的觀察是朝着這個方向邁出的另一步，”Levitov說道。
Levitov是這篇新論文的共同作者，同時還有以色列魏茨曼科學研究所和科羅拉多大學丹佛分校的Eli Zeldov和其他人。
一個集體的擠壓
當電流通過大多數普通金屬和半導體時，電流中電子的動量和軌跡會受到材料中的雜質和材料原子間振動的影響。這些過程主導着普通材料中的電子行為。
但理論家們預測，在沒有這些普通的、經典的過程時，量子效應應該佔據主導地位。也就是說，電子應該能接收到彼此微妙的量子行為並集體移動–就像一種粘稠的、類似蜂蜜的電子液體。這種液體般的行為應該出現在超凈材料和近零溫度下。
2017年，Levitov和曼徹斯特大學的同事報告了石墨烯中這種類似液體的電子行為的特徵，他們在其上蝕刻了一個有幾個夾點的薄通道。石墨烯是一種原子厚度的碳片。Levitov他們觀察到，通過該通道的電流可以在幾乎沒有阻力的情況下流過收縮點。這表明，電流中的電子能夠像流體一樣集體擠過夾點，而不是像單個沙粒一樣堵塞。
這一初步跡象促使Levitov去探索其他電子流體現象。在新研究中，他和魏茨曼科學研究所的同事們尋找可視化的電子渦流。正如他們在論文中寫道：“常規流體流動中最引人注目和無處不在的特徵即渦流和湍流的形成，儘管有許多理論預測但在電子流體中尚未觀察到。”
引導流動
為了將電子渦流可視化，研究小組將目光投向了二碲化鎢(WTe2)，這是一種超凈金屬化合物，當以單原子薄的二維形式隔離時它被發現表現出奇異的電子特性。
Levitov說道：“二碲化鎢是新的量子材料之一，其中電子具有強烈的相互作用並表現為量子波而不是粒子。此外，這種材料非常乾淨，這使得類似流體的行為可以直接獲得。”
研究人員合成了二碲化鎢的純單晶並剝落了該材料的薄片。然後，他們使用電子束光刻和等離子體蝕刻技術，聰從而將每個薄片圖案化為一個中心通道並跟兩側的圓形室相連。他們在金的薄片上蝕刻了同樣的圖案–一種具有普通、經典電子特性的標準金屬。
之後，他們在4.5開爾文（約-450華氏度）的超低溫度下讓電流通過每個圖案化的樣品並在每個樣品的特定點上測量電流，另外還使用尖端的納米級掃描超導量子干涉裝置(SQUID)。這個裝置是在Zeldov的實驗室開發的，其以極高的精度測量磁場。通過使用該設備掃描每個樣品，研究小組能夠詳細觀察電子如何在每種材料的圖案通道中流動。
研究人員觀察到，流經金片中的圖案通道的電子沒有逆轉方向，即使一些電流在跟主電流匯合之前通過了每個側室。與此相反，流經二碲化鎢的電子流經通道並旋轉到每個側室，就像水倒入碗中時一樣。電子會在每個腔室中形成小漩渦，然後再流回主通道。
“我們觀察到腔室中流動方向的變化，跟中心地帶的流動方向相比，流動方向發生了逆轉，”Levitov說道，“這是一個非常引人注目的事情，它跟普通流體中的物理現象相同，但發生在納米尺度的電子上。這是電子處於類似於流體狀態的一個明顯特徵。”
該小組的觀察是第一次直接觀察到電流中的漩渦。這些發現代表了對電子行為中一個基本屬性的實驗確認。它們還可能為工程師們提供線索，進而使他們可以設計出以更流暢、更少阻力的方式導電的低功耗設備。
來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院的物理學教授Klaus Ensslin表示：”粘性電子流的特徵已經在許多不同材料的實驗中被報道過。渦旋狀電流流動的理論預期現在已經在實驗中得到證實，這為研究這種新的傳輸系統增加了一個重要的里程碑。”他沒有參與這項研究。