Мы описываем электричество как поток, но в обычном проводе это не так. Физики начали заставлять электроны вести себя как жидкости, и это может пролить свет на новые способы понимания квантовых систем. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Молекулы воды движутся вместе; электроны обычно не движутся.
Введение
Если бы вас попросили представить, как движутся электроны, вас можно было бы простить за то, что вы вообразили бы поток частиц, движущихся по проводу, подобно воде, текущей по трубе. В конце концов, мы часто описываем движение электронов как «поток» в виде «электрического тока».
В действительности, вода и электричество текут совершенно по-разному. В то время как молекулы воды движутся вместе, образуя вихреобразное, когерентное вещество, электроны, как правило, пролетают мимо друг друга. «Вода видит только другую воду, — говорит Кори Дин, физик из Колумбийского университета, — но в электронной системе, в проводе, это явно не так». Молекулы воды объединяются, чтобы течь, но каждый электрон действует самостоятельно.
Это движение «каждая частица сама за себя» служит основой всей теории электроники. Оно объясняет, почему нагретый провод оказывает большее сопротивление, чем холодный, и почему круглый провод проводит электричество так же хорошо, как и квадратный.
Однако ещё с 1960-х годов теоретики предполагали, что электроны можно заставить вести себя больше как их водные аналоги и образовывать электронную жидкость.
В последние годы ряд экспериментов подтвердил это предсказание. Прошлой осенью, в ходе самой впечатляющей на сегодняшний день демонстрации, Дин и его коллеги организовали образование ударной волны, подобной той, что возникает при столкновении быстро текущей жидкости с медленно текущей. Это стало неопровержимым доказательством того, что электроны движутся с чрезвычайно высокими скоростями. «Это действительно передовая область исследований на данный момент», — сказал Томас Скаффиди, физик из Калифорнийского университета в Ирвайне, не принимавший участия в эксперименте.
Приведение электронов в состояние, подобное воде, в будущем может привести к разработке новых типов электронных устройств. А распространение известной теории воды на электроны может породить новый подход к изучению квантовых материалов.
Глухой стук против текучего потока
Эндрю Лукас, физик-теоретик из Университета Колорадо в Боулдере, сравнивает движение электронов по проводу с движением шариков в пинбольном автомате. Попав на игровое поле, шарики отскакивают во всех направлениях, отлетая от флипперов и бамперов. Они движутся вверх по автомату, вниз по автомату и вокруг него. Аналогично, когда электроны в медном проводе сталкиваются с вибрирующими атомами меди или с «примесями» в металле — участками, где какой-либо другой атом занял атом меди, — они рикошетят во всех направлениях.
В среднем шарики для пинбола, как правило, движутся дальше вниз, чем вверх; в этом смысле они «текут» вниз. Аналогично, «поток» электронов возникает лишь в среднем смысле; электрическое поле, возможно, создаваемое батареей, устанавливает едва заметное предпочтительное направление в проводе.
Но это особый тип потока. Электрон сталкивается с примесью примерно так же, как мячик для хаки-сак сталкивается с полом: он скорее ударяется, чем отскакивает. Примесь отнимает энергию у электрона, не позволяя ему набрать достаточный импульс. Следовательно, электроны движутся по проводу примерно так же, как вода просачивается сквозь утрамбованный песок — движение, которое физики описывают как «дисперсионный» поток.
Напротив, молекулы воды, текущие по трубе, сталкиваются почти исключительно друг с другом. И когда они сталкиваются, они отскакивают, как бильярдные шары: они делят между собой импульс и продолжают движение.
Способность молекул воды «сохранять» свой импульс определяет природу текучести. Поскольку столкновения с препятствиями не приводят к потере импульса, молекулы воды могут участвовать в сложных коллективных движениях, перемещаясь в зонах с большей и меньшей скоростью, а также образуя вихревые потоки.
В 1963 году советский физик Радий Гуржи первым точно рассчитал, что произойдет, если электроны окажутся в ситуации, когда они смогут только сталкиваться друг с другом, сохраняя импульс, подобно молекулам воды.
Гуржи обнаружил, что разница будет заключаться в том, как электрический ток реагирует на тепло. Нагревание медной проволоки обычно препятствует протеканию электрического тока, поскольку колебания в атомах меди усиливаются и сильнее препятствуют движению электронов. Но Гуржи рассчитал, что если бы импульс сохранялся, тепло заставило бы электроны двигаться легче — подобно тому, как теплый мед более жидкий, чем холодный.
Его наблюдение стало известно как эффект Гуржи, но в то время оно не привлекло особого внимания. Казалось, это всего лишь теоретическая диковинка, мало связанная с реальными электронами, запертыми в реальных проводах, «полных грязи и примесей», — говорил Лукас.
Пятьдесят лет спустя ситуация изменилась.
В дело вступает графен
В 2004 году Андрей Гейм и Константин Новоселов объявили об открытии графена — сотового листа из атомов углерода, который они смогли отделить от грифеля карандаша, используя только скотч. За это достижение они были удостоены Нобелевской премии.
Слой графена был похож на игровой автомат для пинбола без бамперов; почти каждый атом находился на своем месте. «Это просто термодинамически прекрасный кристалл. Он добывается из земли в хорошо сформированном виде, с очень небольшим количеством примесей», — сказал Дин, специалист по экспериментам с графеном.
Металлический наконечник диаметром всего в несколько нанометров уловил мельчайшие изменения электрического поля графена, выявив ударную волну в жидкости в месте внезапного замедления сверхзвуковых электронов.
Физикам потребовалось около десяти лет, чтобы понять, как изучать графен без помех со стороны других материалов. Но когда им это удалось, они обнаружили, что электроны действительно текут.
В одном из ранних экспериментов, проведенном в 2017 году, Гейм и его коллеги вырезали в полоске графена узкое место, пропускали через него электроны и измеряли сопротивление. Они обнаружили, что при повышении температуры сопротивление падало — эффект Гуржи в действии.
В 2022 году физики из Института науки Вейцмана в Израиле смогли непосредственно наблюдать за движением электронов. Они придали материалу, имеющему некоторое сходство с графеном, называемому диселенидом вольфрама, форму вертикальной проволоки, посередине которой располагались два круга, напоминающие уши Микки Мауса. По мере того, как электроны двигались по проволоке, попадая в эти «ушки», группа исследователей отслеживала их движение, измеряя магнитное поле, создаваемое электронами при перемещении по проволоке. При этом они наблюдали завихрения электрических токов, закручивающихся обратно в «ушки» — электронные водовороты. Эти водовороты напоминали вихри, образующиеся, когда часть речного течения входит в изгиб и поворачивает вверх по течению.
«Они действительно могут наблюдать эти вихри», — сказал Скаффиди, который сотрудничал с группой Гейма в другом эксперименте с электронными жидкостями, также в 2022 году.
На сверхзвуковой скорости
В 2025 году Йоханнес Геурс, научный сотрудник лаборатории Дина, решил довести идею электронных жидкостей «до крайности», — сказал Дин.
Медленно движущиеся жидкости ведут себя иначе, чем быстро движущиеся. Мы можем наблюдать это на примере воздуха, который является такой же жидкостью, как и вода, потому что молекулы воздуха сохраняют импульс при столкновении. Когда самолет разгоняется, преодолевая звуковой барьер в воздухе, он генерирует ударную волну, известную как звуковой удар. Геурс задался вопросом, возможно ли преодолеть аналогичный звуковой барьер с помощью самих электронов, что привело бы к другому типу сверхзвуковой ударной волны.
Йоханнес Геурс предложил идею создания ударной волны, вызванной электронным потоком жидкости.
Чтобы получить максимально быструю электронную жидкость, он вырезал полоску из двух листов графена в изящную форму, известную как сопло де Лаваля — форму, которую используют ракетные двигатели для ускорения выхлопных газов.
Затем он направил электроны через сужение, образованное соплом, что увеличило их скорость до уровня, превышающего скорость распространения волн в электронной жидкости. Это «скорость звука» для электронной жидкости, составляющая несколько сотен километров в секунду. Когда ускоренные электроны столкнулись с другими электронами, находящимися в открытой области ниже по потоку от сопла, более медленные, дозвуковые электроны не смогли достаточно быстро увернуться, и жидкость сжалась. Исследователи водили металлическим наконечником взад и вперед над образцом, измеряя мельчайшие изменения электрического поля, и обнаружили скопление электронов. Ударная волна показала, что им действительно удалось преодолеть звуковой барьер электронной жидкости.
Электронные шептуны
Подобные эксперименты позволяют исследователям гибко и масштабно контролировать электроны. Этот новый уровень мастерства может привести к созданию новых электронных компонентов. Например, когда электроны движутся подобно жидкостям, они начинают реагировать на форму канала, по которому движутся, будь то уши Микки Мауса или сопло. «Используя различные формы для своего устройства, можно реализовать совершенно разные физические процессы», — сказал Скаффиди.
Эти эксперименты также могут помочь теоретикам разработать совершенно новый способ описания электронов и субатомных систем. По словам Скаффиди, это «маленький шаг» к использованию наших знаний о движении жидкостей для понимания квантовых систем.
Когда электроны движутся подобно жидкостям, они образуют согласованные структуры. Зная некоторые основные свойства жидкости, такие как плотность и вязкость, можно использовать стандартные уравнения, чтобы определить, как будет вести себя жидкость, без необходимости отслеживать движение каждого отдельного электрона.
Есть надежда, что в других сложных квантовых или полуквантовых системах теоретики смогут, например, выявить законы сохранения, которые помогут им распознать аналогичное крупномасштабное поведение потоков, как это удалось сделать одной группе исследователей для некоторых хаотических квантовых цепей в 2024 году.
Возможно, продолжая экспериментировать с электронными жидкостями в лаборатории и используя гидродинамику для описания их завихрения, теоретики найдут способ описать другие, более загадочные ситуации, в которых электроны, кажется, растворяются, — сказал Лукас, который помогал с некоторыми теоретическими расчетами для эксперимента в Колумбии. «Это очень привлекательная демонстрация того, что нельзя объяснить ни в одной из классических моделей», — добавил он.
Источник: www.quantamagazine.org
