Створено новий тип металу, в якому електрони поводяться як рідина

Наш світ влаштований складніше, ніж може здатися на перший погляд. І хоча всі ми любимо прості відповіді на складні питання, вони рідко виявляються вірними. Так, на початку XIX століття англійський хімік Джон Дальтон, розробив нову теорію атома, яка хоч і не пояснювала всі явища, але випереджала нові можливості в розумінні того, як об’єднуються атоми і утворюються хімічні речовини. Цікаво, що до Дальтона в наукових колах переважала ідея про маленькі неподільні частки, запропонована ще Демокрітом і Левкіп, однак атом довгий час не уявляв інтересу для науки. І хоча Дальтон не сумнівався, що атоми неподільні, спостерігалося щось, що здавалося легше них самих. У ті роки фізики висунули припущення, згідно з яким електричний заряд складався з деяких електричних атомів і аналогів, а в 1894 році ірландський фізик Джордж Стоні запропонував називати «атом електрики» електроном. З тих пір спливло багато води, причому навіть більше, ніж можна було б очікувати. Нещодавно дослідники з Бостонського університету створили новий зразок металу, в якому рух електронів протікає так само, як вода тече по трубі. Нове відкриття потенційно може привести до створення нового типу електронного пристрою.

Що таке електрон?

Насправді відповісти на питання про те, що являє електрон не так вже й просто. Щоб зрозуміти, як вчені прийшли до висновку про його існування, ненадовго звернемося до історії.

Після того, як Стоні озвучив термін «електрон», інші вчені працювали над катодними променями – пучками, що випускаються зарядженими пластинами всередині скляних трубок, в яких практично не було повітря. Згодом британський фізик Вільям Крукс виявив, що ці пучки складаються з негативно зарядженої речовини.

Науковий прорив відбувся в 1897 році, коли інший британський фізик Дж. Дж. Томсон встановив, що катодні промені – ні що інше, як потік окремих частинок з однаковими масами і зарядами. Маючи масу, що становить приблизно 1/1000 маси атома водню, вони здавалися крихітними.

І незважаючи на те, що фізики не до кінця розуміли, що ці дивні субатоми собою представляли, термін «електрон» увійшов до загального вжитку, а сам електрон позиціонувався як носій заряду. При цьому аж до 1905 року наукове співтовариство вважало, що ніяких атомів немає, проте в моделі атома, виведеної з відкриттів Резерфорда, було дещо привабливе.

В самому серці атома знаходилося важке, позитивно заряджене ядро, навколо якого зверталися крихітні електрони. Можна було подумати, що атом – це наша Сонячна система в мініатюрі, де в якості Сонця виступає ядро, а електрони – в якості планет.

Але незважаючи на всю красу цієї моделі, сьогодні фізики не розглядають її як модель атома всерйоз. Справа в тому, що все, що рухається по орбіті прискорюється, а електрон, що рухається з прискоренням, втрачає енергію в формі світла.

«Плинність» електрона

Отже, сьогодні під електроном вчені розуміють стабільну негативно заряджену елементарну частинку. Вона вважається фундаментальною і є однією з основних структурних одиниць речовини. Слід також зазначити, що всі електрони однакові, незалежно від того до складу якого атома вони входять.

До основних властивостей електронів відносять утворення електронних оболонки атомів. Рух електронів сприяє виникненню електричного струму в багатьох провідниках. При прискоренні електрони створюють рентгенівське випромінювання, а також дозволяють фізикам вивчати будову атомних ядер.

Але, як виявилося, електрони вміють дещо ще. У новому дослідженні, опублікованому в науковому журналі Nature Communications, вчені повідомили про відкриття нового типу металу, в якому електрони рухають текучим чином – як вода вода в трубі – шляхом взаємодії з квазічастинками, під назвою фонони.

Вважається, що фонони виникають в результаті коливань в кристалічній структурі. Але це, м’яко кажучи, не зовсім звичайно – в металах електрони діють як окремі частинки – тобто не набирають імпульс, як група.

Настільки незвичайна поведінка електронів, як виявилося, викликає металевий надпровідник, який являє собою синтез ніобію і германію, званий дітетрелідом – NbGe2. І хоча вважається, що електрони «протікають» через матеріали, зазвичай вони не рухаються по провідникам, як рідина, а скоріше, більше схожі на газ, відскакуючи від домішок і дефектів в провіднику.

До чого може привести нове відкриття?

Вчені і раніше підозрювали, що гідродинамічний потік електронів, подібний рідини, можливий, тому дослідники з Інституту Вейцмана вирішили перевірити це за допомогою унікальної методики зображення електронів, що протікають аналогічно воді, що тече по трубі. Їх успіх є першим випадком візуалізації «потоку рідких електронів», що може призвести до розробки нових електронних пристроїв.

Для спостереження фізики використовували графен – наноматеріал, розроблений в Манчестерському університеті, товщиною в один атом вуглецю, який можна утримувати у виключній чистоті.

Професор Шахал Ілан і команда кафедри фізики конденсованих середовищ Інституту потім візуалізували потік електронів за допомогою нанорозмірного детектора, побудованого з транзистора з вуглецевих нанотрубок, який може відображати властивості протікають електронів з безпрецедентною чутливістю.

Команда створила нанорозмірні «канали», призначені для направлення поточних електронів, і побачила відмінну рису гідродинамічного потоку: точно так само, як вода в трубі, електрони в графені текли швидше в центрі каналів і сповільнювалися біля стін.

Знання того, що електрони можуть імітувати структуру звичайної рідини, тепер може вплинути на конструкцію електронних пристроїв, в тому числі тих, які вимагають меншого енергоспоживання.

Наступний крок, як відзначають дослідники, полягає в пошуку інших матеріалів в цій гідродинамічної області за допомогою електрон-фононних взаємодій. Команда фізиків також займається контролем електронних гідродинамічних рідин в таких матеріалах і розробкою нових електронних пристроїв. Так що майбутнє – як електрона, так і наше з вами – ймовірно, буде повно дивовижних відкриттів.