Molekuly vody se v kapalině pohybují společně, vytvářejí proudy, vlny, víry a podobné jevy. Elektrony se chovají jinak, i v dobrých (běžných) vodičích jsou interakce (srážky s atomy materiálu i nečistotami, vibrace atomů apod.) elektronů s okolním materiálem mnohem silnější než mezi nimi navzájem. Chceme-li, aby se elektrony chovaly kolektivně jako kapalina, vyžaduje to nastavit speciální podmínky. Za nich by mohlo převládnout kolektivní chování, kdy by elektrony proudily společně, „přilepené“ k sobě podobně jako viskózní med (poznámka: a to navzdory tomu, že se elektrony svými souhlasnými elektrickými náboji vzájemně odpuzují). Toto chování, které není totožné se supravodivostí, podle předpovědi vyžaduje ovšem alespoň prozatím ultračisté materiály a teploty blízkou absolutní nule.
Vědci z MITu, izraelského Weizmannova ústavu a Coloradské univerzity v Denveru celý jev nejen předpověděli, ale nyní také prakticky realizovali. Podle studie publikované v Nature by výsledkem mohla být konstrukce energeticky účinnější elektroniky. V „tekutém“ stavu totiž při proudění klesá rozptyl energie, tj. jako by materiál měl nižší odpor.
Leonid Levitov z MITu a vědci Manchesterské univerzity již v roce 2017 zaznamenali elektronovou tekutinu v grafenu (právě v Manchesteru byl grafen objeven a nachází se zde významné centrum jeho výzkumu). Ve 2D materiálu byly vyleptány kanálky s několika zúženími. Ukázalo se, že elektrický proud tekl těmito zúženími s malým odporem, tj. elektrony proudily kolektivně (otvor se neucpával, jako když se jím snažíme procpat izolované pevné částice typu zrnek písku). Nová studie se zaměřila na vizualizaci kolektivního chování elektronů. Pokud fungují jako kapalina, měly by tvořit také víry, což se však až dosud nikdy zaznamenat nepodařilo.
Vědci se rozhodli víry vytvořit v telluridu wolframičitém (WTe2), který byl připraven v podobě ultračistého 2D materiálu. Nejprve se podařilo syntetizovat čisté monokrystaly a z nich pak odlupovat tenké vločky. Pomocí litografie elektronovým paprskem a plazmového leptání pak každou vločku vymodelovali do podoby středového kanálku spojeného na obou stranách s kruhovou komorou. Stejný vzor pak vyleptali i do tenkých vloček zlata, které měly roli klasického dobrého vodiče (de facto kontrolní pokus). Při teplotě 4,5 K pak oběma vzorky protékal proud a pomocí speciální technologie SQUID (supravodivé kvantové interferenční zařízení, scanning superconducting quantum interference device) na hrotu byly s extrémně vysokou přesností měřeny změny magnetického pole. Ty odpovídaly tomu, jak elektrony proudí kanálky v obou materiálech.
Ukázalo se, že že elektrony protékající kanálky ve zlatých vločkách tak činí bez změny směru, a to i tehdy, když část proudu procházela boční komorou, než se opět spojila s hlavním proudem. Naproti tomu v telluridu wolframičitém elektrony přitékající do bočních komor vytvářely malé víry, než se vrátily zpět do hlavního kanálu. Podobně jako u tekoucí vody se směr proudění v „odbočkách“ v měřítku nanorozměrů částečně obracel.
Eli Zeldov, Direct observation of vortices in an electron fluid, Nature (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04794-y. www.nature.com/articles/s41586-022-04794-y
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / Phys.org a další