经过多年的探索，物理学家观察到电子流入流体状漩涡中：

物理学家第一次目睹了令人难以置信的激动人心的事情：电子像流体一样形成漩涡。

这种行为是科学家们早就预测到的，但以前从未观察到过。它可能是开发更高效、更快速的下一代电子产品的关键。

“电子涡流在理论上是预期的，但没有直接的证据，眼见为实，”其中一位研究人员说这项新研究的幕后推手是来自麻省理工学院的物理学家列昂尼德·列维托夫 (Leonid Levitov)。

“现在我们已经看到了，它是处于这种新状态的明显标志，在这种状态下，电子表现得像流体，而不是单个粒子。”

当电子流动时在涡流中听起来可能并不那么具有开创性，但这很重要，因为像流体一样流动会导致更多的能量被传递到终点，而不是在电子被材料中的杂质或振动等物质推挤时在途中丢失在原子中。

“我们知道电子何时离开在流体状态下，[能量] 耗散下降，这对尝试设计低功耗电子产品很有意义，”列维托夫说。“这项新观察是朝着这个方向迈出的又一步。”

这项工作是麻省理工学院、以色列魏茨曼科学研究所和丹佛科罗拉多大学之间的一项联合实验。

当然，我们已经知道电子可以相互反弹并在超导体中无阻力地流动，但是这是形成所谓“库珀对”的结果，并不是电子像流体一样集体流动的真实例子。

以水为例。水分子是单个粒子，但根据流体动力学原理，它们作为一个整体移动，相互携带穿过表面，在移动时形成溪流和漩涡。

电流基本上应该能够做同样的事情，但任何集体电子的行为通常被普通金属中的杂质和振动所覆盖甚至半导体。这些“干扰”会在电子行进时四处撞击电子，并阻止它们表现出类似流体的行为。

长期以来，人们一直预测，在接近零温度的特殊材料中，这些干扰应该会消失，从而使电子像流体一样移动……但问题是，实际上没有人能够证明这是事实, 直到现在。

流体有两个基本特征：线性流动，其中分离的粒子全部平行流动；

列维托夫及其同事于 2017 年使用石墨烯观察到第一个现象。在原子薄的碳片中，列维托夫和他的团队表明，电流可以像流体一样流过夹点，而不是像沙粒一样。

但没有人看到第二个特征。 “常规流体流动中最显着和普遍存在的特征，涡流和湍流的形成，已经尽管有许多理论预测，但尚未在电子流体中观察到，”研究人员写道。

为了弄清楚这一点，该团队采用了一种称为二碲化钨 (WTe2) 的超洁净材料的纯单晶，切下单原子薄片。

然后他们将图案蚀刻到中央通道中，两侧各有一个圆形腔室，为电流穿过创造了一个“迷宫”。他们蚀刻了相同的金片上的图案，它不具有与二碲化钨相同的超洁净特性，因此用作对照。

（Aharon-Steinberg et al., Nature, 2022）

上图：左图显示电子在实验中如何在金 (Au) 薄片中流动。右图显示模拟流体状电子的行为。

Aft将材料冷却到大约 -269 摄氏度（4.5 开尔文或 -451.57 华氏度）后，他们让电流流过材料并测量整个材料中特定点的流量，以绘制电子流动图。

在金片中，电子在不改变方向的情况下流过迷宫，即使电流在返回主电流之前已经通过每个侧室。

相比之下，在二碲化钨中，电子流过通道，然后旋转进入每个侧室，形成漩涡，然后流回主通道——就像你期望流体那样。

“我们观察到流向发生了变化Levitov 说。

但发生在纳米级的电子上。这是 e 的明显特征电子处于类似流体的状态。”

（Aharon-Steinberg et al., Nature, 2022）

上图：左边的柱子显示电子如何流过二碲化钨 (WTe2)与左栏中的流体动力学模拟相比。

当然，这个实验是在超低温下使用特殊材料完成的 – 这不会很快发生在您的家用小工具中。腔室和中间通道也有尺寸限制。

但正如新闻稿所解释的那样，这是“电流中漩涡的第一次直接可视化”。这不仅证实了电子可以表现得像一种流体，这一进步还可以帮助工程师更好地了解如何在他们的设备中利用这种潜力。

该研究已发表在自然界中。