В ходе нового исследования физики использовали новый материал толщиной с атом и инновационную новую систему визуализации, чтобы показать, что электроны могут вести себя как вода. Интересно, что гидродинамика электронов – то есть то, как они движутся – долгое время была в некотором роде научной загадкой, поскольку субатомные частицы летают быстрее, чем может наблюдать человеческий глаз.
Наш мир устроен сложнее, чем может показаться на первый взгляд. И хотя все мы любим простые ответы на сложные вопросы, они редко оказываются верными. Так, в начале XIX века английский химик Джон Дальтон, разработал новую теорию атома, которая хоть и не объясняла все наблюдаемые явления, но предваряла новые возможности в понимании того, как объединяются атомы и образуются химические вещества. Интересно, что до Дальтона в научных кругах преобладала идея о маленьких неделимых частицах, предложенная еще Демокритом и Левкипом, однако атом долгое время не представлял интереса для науки. И хотя Дальтон не сомневался, что атомы неделимы, наблюдалось нечто, казавшееся легче них самих. В те годы физики выдвинули предположение, согласно которому электрический заряд состоял из некоторых электрических атомов и аналогов, а в 1894 году ирландский физик Джордж Стони предложил называть «атом электричества» электроном. С тех пор утекло много воды, причем даже больше, чем можно было бы ожидать. Недавно исследователи из Бостонского университета создали новый образец металла, в котором движение электронов протекает так же, как вода течет по трубе. Новое открытие потенциально может привести к созданию нового типа электронного устройства.
На самом деле ответить на вопрос о том, что представляет электрон не так уж и просто. Чтобы понять, как ученые пришли к выводу о его существовании, ненадолго обратимся к истории.
После того, как Стони озвучил термин «электрон», другие ученые работали над катодными лучами – пучками, испускаемыми заряженными пластинами внутри стеклянных трубок, в которых практически не было воздуха. Со временем британский физик Уильям Крукс обнаружил, что эти пучки состоят из отрицательно заряженного вещества.
И несмотря на то, что физики не до конца понимали, что эти странные субатомы собой представляли, термин «электрон» вошел во всеобщее употребление, а сам электрон позиционировался как носитель заряда. При этом вплоть до 1905 года научное сообщество полагало, что никаких атомов нет, однако в модели атома, выведенной из открытий Резерфорда, было кое-что привлекательное.
В классическом эксперименте с катодными лучами пучок направлен на широкий конец трубки (слева на рисунке), за исключением тех участков, для которых лучи блокируются металлическим крестом.
В самом сердце атома находилось тяжелое, положительно заряженное ядро, вокруг которого обращались крохотные электроны. Можно было подумать, что атом – это наша Солнечная система в миниатюре, где в качестве Солнца выступает ядро, а электроны – в качестве планет.
Но несмотря на всю красоту этой модели, сегодня физики не рассматривают ее в качестве модели атома всерьез. Дело в том, что все, что движется по орбите ускоряется, а электрон, движущийся с ускорением, теряет энергию в форме света. Конец этой «путанице» с электроном, как известно, положил молодой физик Нильс Бор. Подробнее о работе выдающегося ученого и не только читайте в этой статье.
Итак, сегодня под электроном ученые понимают стабильную отрицательно заряженную элементарную частицу. Она считается фундаментальной и является одной из основных структурных единиц вещества. Следует также отметить, что все электроны одинаковы, вне зависимости от того в состав какого атома они входят.
К основным свойствам электронов относят образование электронных оболочкек атомов. Движение электронов способствует возникновению электрического тока во многих проводниках. При ускорении электроны создают рентгеновское излучение, а также позволяют физикам изучать строение атомных ядер.
Но, как оказалось, электроны умеют кое-что еще. В новом исследовании, опубликованном в научном журнале Nature Communications, ученые сообщили об открытии нового типа металла, в котором электроны двигают текучим образом – как вода вода в трубе – путем взаимодействия с квазичастицами, под названием фононы.
Считается, что фононы возникают в результате колебаний в кристаллической структуре. Но это, мягко говоря, не совсем обычно – в металлах электроны действуют как отдельные частицы – то есть не набирают импульс, как группа.
Композит из ниобия и германия (NbGe2) – небольших кристаллов нового материала, прикреплен к устройству для исследования поведения новой электронно-фононной жидкости. Вставка показывает расположение атомов материала.
Столь необычное поведение электронов, как оказалось, вызывает металлический сверхпроводник, который представляет собой синтез ниобия и германия, называемый дитетрелидом — NbGe2 (рисунок выше). И хотя считается, что электроны «протекают» через материалы, обычно они не движутся по проводникам, как жидкость, а скорее, больше похожи на газ, отскакивая от примесей и дефектов в проводнике.
Ученые и раньше подозревали, что гидродинамический поток электронов, подобный жидкости, возможен, поэтому исследователи из Института Вейцмана решили проверить это с помощью уникальной методики изображения электронов, протекающих аналогично воде, текущей по трубе. Их успех является первым случаем визуализации «потока жидких электронов», что может привести к разработке новых электронных устройств.
Для наблюдения физики использовали графен – наноматериал, разработанный в Манчестерском университете, толщиной в один атом углерода, который можно содержать в исключительной чистоте.
Графен — революционный материал 21 столетия. Это самый прочный, самый легкий и электропроводящий вариант углеродного соединения.
Профессор Шахал Илани и команда кафедры физики конденсированных сред Института затем визуализировали поток электронов с помощью наноразмерного детектора, построенного из транзистора из углеродных нанотрубок, который может отображать свойства протекающих электронов с беспрецедентной чувствительностью.
Наша техника, по крайней мере, в 1000 раз чувствительнее альтернативных методов; это позволяет нам отображать явления, которые ранее можно было изучать только косвенно, – сказал доктор Джозеф Сульпицио из команды Вейцмана.
Команда создала наноразмерные «каналы», предназначенные для направления текущих электронов, и увидела отличительную черту гидродинамического потока: точно так же, как вода в трубе, электроны в графене текли быстрее в центре каналов и замедлялись у стен.
Электричество – это, по сути, обмен электронами в потоке, называемом током, через проводящую среду, поэтому движение электронов представляет большой интерес для технологических фирм, учитывая растущую зависимость общества от электричества.
Следующий шаг, как отмечают исследователи, заключается в поиске других материалов в этой гидродинамической области с помощью электрон-фононных взаимодействий. Команда физиков также занимается контролем электронных гидродинамических жидкостей в таких материалах и разработкой новых электронных устройств. Так что будущее – как электрона, так и наше с вами – вероятно, будет полно удивительных открытий. Ждем с нетерпением.
© 2004-2020, «Техника и технологии». Все права защищены.
* XML, HTML | Реклама на сайте