物理学家第一次看到了电子漩涡

虽然它们是离散的粒子，但水分子以液体的形式集体流动，产生流、波、漩涡和其他经典的流体现象。

但电力却不是这样。而电流也是由不同的粒子构成的——在这里是电子——这些粒子是如此之小，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会被更大的影响所淹没。但是，在某些材料和特定条件下，这种效应会逐渐消失，电子可以直接相互影响。在这些情况下，电子可以像流体一样集体流动。

现在，麻省理工学院和魏茨曼科学研究所的物理学家已经观察到电子在漩涡中流动——这是理论学家预测电子应该表现出的流体流动的一个标志，但直到现在才被发现。

麻省理工学院(MIT)物理学教授列奥尼德·莱维托夫(Leonid Levitov)说:“理论上，电子漩涡是可能的，但没有直接的证据，眼见为实。”“现在我们已经看到了，这是在这种新体制下的一个明确的标志，电子表现为流体，而不是单个粒子。”

今天发表在《自然》(Nature)杂志上的这一观察结果，可以为设计更高效的电子产品提供信息。

莱维托夫说:“我们知道当电子处于流体状态时，[能量]耗散会下降，这是试图设计低功率电子器件的兴趣所在。”“这项新发现是朝着这个方向迈出的又一步。”

莱维托夫和以色列魏茨曼科学研究所以及丹佛科罗拉多大学的泽尔多夫等人是这篇新论文的共同作者。

一个集体紧缩

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之间振动的影响。这些过程支配着普通材料的电子行为。

但理论学家预测，如果没有这种普通的经典过程，量子效应将取而代之。也就是说，电子应该会捕捉到彼此微妙的量子行为，并集体移动，就像一种粘性的、蜂蜜一样的电子流体。这种类似液体的行为应该出现在超洁净材料和接近零的温度下。

2017年，莱维托夫和曼彻斯特大学的同事们报告了石墨烯中这种类似流体的电子行为的特征，石墨烯是一种原子薄的碳薄片，他们在上面蚀刻了一个带有几个夹点的薄通道。他们观察到，通过通道的电流可以毫无阻力地流过狭窄的通道。这表明，电流中的电子能够像流体一样集体挤过夹点，而不是像单独的沙粒那样堵塞。

这第一个迹象促使莱维托夫探索其他电子流体现象。在这项新研究中，他和魏茨曼科学研究所的同事们试图将电子漩涡可视化。正如他们在论文中所写的那样，“常规流体流动中最显著、最普遍的特征，即漩涡和湍流的形成，尚未在电子流体中观察到，尽管有许多理论预测。”

将流

为了可视化电子漩涡，研究小组研究了二碲化钨(WTe2)，这是一种超干净的金属化合物，被发现在单原子薄的二维形式中被孤立时表现出奇特的电子特性。

莱维托夫说:“二碲化钨是一种新的量子材料，其中电子相互作用很强，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，并剥去了材料的薄片。然后，他们使用电子束光刻技术和等离子体蚀刻技术，将每一片薄片雕刻到一个中心通道中，该通道与两侧的一个圆形腔室相连。他们把同样的图案蚀刻在薄薄的金箔上——金箔是一种具有普通、经典电子特性的标准金属。

然后，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有图案的样本，并使用尖端的纳米级扫描超导量子干涉设备(SQUID)测量每个样本特定点的电流。这一装置是在泽尔多夫的实验室中开发的，能以极高的精度测量磁场。使用该设备扫描每个样品，研究小组能够详细观察电子是如何通过每个材料的图案通道流动的。

研究人员观察到，电子在金箔上有图案的通道中流动时不需要倒转方向，即使一些电流在与主电流汇合之前通过了每个侧腔。相比之下，电子流过二碲化钨，流过通道并进入两侧的腔室，就像水倒进碗里一样。电子在回流到主通道之前在每个腔室中产生了小漩涡。

莱维托夫说:“我们观察到室内的流动方向发生了变化，与中心地带的流动方向相反。”“这是一件非常惊人的事情，它与普通流体的物理原理相同，但发生在纳米尺度的电子上。这是电子处于类似流体状态的明显标志。”

该小组的观测是对电流中旋涡的第一次直接可视化。这些发现代表了电子行为中一种基本性质的实验证实。它们还可能为工程师们设计出更流畅、电阻更小的导电低功率设备提供线索。

瑞士苏黎世联邦理工学院的物理学教授克劳斯·恩斯林(Klaus Ensslin)没有参与这项研究，他说:“黏性电子流动的特征在不同材料上的许多实验中都有报道。”“类涡旋流的理论预期现在已经被实验证实，这为这种新型传输机制的研究增加了一个重要的里程碑。”

这项研究得到了欧洲研究理事会(European research Council)、德以科学研究与发展基金会(german -Israel Foundation for Scientific research and Development)和以色列科学基金会(Israel Science Foundation)的部分支持。