科学家首次看到电子漩涡：将促成下一代电子技术的诞生

水分子虽然是独立的粒子，但它却像液体一样集体流动并创造出水流、波浪、漩涡和其他经典的流体现象。这跟电不一样。虽然电流同样是由不同的粒子构成–在这种情况下是电子–但这些粒子非常得小，以至于当电子通过普通金属时，它们之间的任何集体行为都被更大的影响所淹没。

然而，在特定的材料和特定的条件下，这种影响会逐渐消失，电子则可以直接相互影响。在这些特定情况下，电子可以像流体一样集体流动。

现在，来自麻省理工学院(MIT)和魏茨曼科学研究院的物理学家们终于观察到了电子在旋涡中流动–这是理论家们预测电子应该表现出来的流体流动的一个标志，但在现在之前从未见过。

MIT物理学教授Leonid Levitov说道：“电子涡流在理论上是可以预期的，但一直没有直接的证据，眼见为实。现在我们已经看到了它，它是处于这个新体系中的明显标志，在这个新体系中，电子的行为是一种流体，而不是单个粒子。”

相关研究文章已于7月6日发表在《Nature》，这些观察结果可以为设计更高效的电子产品提供参考。

“我们知道当电子处于流体状态时，（能量）耗散会下降，这对试图设计低功耗的电子产品很有意义。这个新的观察是朝着这个方向迈出的另一步，”Levitov说道。

Levitov是这篇新论文的共同作者，同时还有以色列魏茨曼科学研究所和科罗拉多大学丹佛分校的Eli Zeldov和其他人。

一个集体的挤压

当电流通过大多数普通金属和半导体时，电流中电子的动量和轨迹会受到材料中的杂质和材料原子间振动的影响。这些过程主导着普通材料中的电子行为。

但理论家们预测，在没有这些普通的、经典的过程时，量子效应应该占据主导地位。也就是说，电子应该能接收到彼此微妙的量子行为并集体移动–就像一种粘稠的、类似蜂蜜的电子液体。这种液体般的行为应该出现在超净材料和近零温度下。

2017年，Levitov和曼彻斯特大学的同事报告了石墨烯中这种类似液体的电子行为的特征，他们在其上蚀刻了一个有几个夹点的薄通道。石墨烯是一种原子厚度的碳片。Levitov他们观察到，通过该通道的电流可以在几乎没有阻力的情况下流过收缩点。这表明，电流中的电子能够像流体一样集体挤过夹点，而不是像单个沙粒一样堵塞。

这一初步迹象促使Levitov去探索其他电子流体现象。在新研究中，他和魏茨曼科学研究所的同事们寻找可视化的电子涡流。正如他们在论文中写道：“常规流体流动中最引人注目和无处不在的特征即涡流和湍流的形成，尽管有许多理论预测但在电子流体中尚未观察到。”

引导流动

为了将电子涡流可视化，研究小组将目光投向了二碲化钨(WTe2)，这是一种超净金属化合物，当以单原子薄的二维形式隔离时它被发现表现出奇异的电子特性。

Levitov说道：“二碲化钨是新的量子材料之一，其中电子具有强烈的相互作用并表现为量子波而不是粒子。此外，这种材料非常干净，这使得类似流体的行为可以直接获得。”

研究人员合成了二碲化钨的纯单晶并剥落了该材料的薄片。然后，他们使用电子束光刻和等离子体蚀刻技术，聪从而将每个薄片图案化为一个中心通道并跟两侧的圆形室相连。他们在金的薄片上蚀刻了同样的图案–一种具有普通、经典电子特性的标准金属。

之后，他们在4.5开尔文（约-450华氏度）的超低温度下让电流通过每个图案化的样品并在每个样品的特定点上测量电流，另外还使用尖端的纳米级扫描超导量子干涉装置(SQUID)。这个装置是在Zeldov的实验室开发的，其以极高的精度测量磁场。通过使用该设备扫描每个样品，研究小组能够详细观察电子如何在每种材料的图案通道中流动。

研究人员观察到，流经金片中的图案通道的电子没有逆转方向，即使一些电流在跟主电流汇合之前通过了每个侧室。与此相反，流经二碲化钨的电子流经通道并旋转到每个侧室，就像水倒入碗中时一样。电子会在每个腔室中形成小漩涡，然后再流回主通道。

“我们观察到腔室中流动方向的变化，跟中心地带的流动方向相比，流动方向发生了逆转，”Levitov说道，“这是一个非常引人注目的事情，它跟普通流体中的物理现象相同，但发生在纳米尺度的电子上。这是电子处于类似于流体状态的一个明显特征。”

该小组的观察是第一次直接观察到电流中的漩涡。这些发现代表了对电子行为中一个基本属性的实验确认。它们还可能为工程师们提供线索，进而使他们可以设计出以更流畅、更少阻力的方式导电的低功耗设备。

来自瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学教授Klaus Ensslin表示：”粘性电子流的特征已经在许多不同材料的实验中被报道过。涡旋状电流流动的理论预期现在已经在实验中得到证实，这为研究这种新的传输系统增加了一个重要的里程碑。”他没有参与这项研究。