دوامات كهربائية يمكن استغلالها لإنشاء أجهزة إلكترونية أقل حاجة للطاقة

لاحظ الفيزيائيون دوامات كهربائية تنتجها الإلكترونات تتفاعل بطريقة مشابهة لجزيئات الماء في الدوامات، مما يؤكد أخيرًا تنبؤات سابقة.

عند تدريس الكهرباء، هناك تشبيه شائع ولكن يتم انتقاده بشدة وهو تدفق المياه عبر الأنابيب، حيث يكون الجهد هو المقابل للتغير في الارتفاع وكمية التدفق الحالية في الدائرة.

يجد بعض الطلاب هذا التشبيه مفيدًا، لكن العديد من الفيزيائيين يعتبرونه مضللًا بسبب الاختلافات في الطريقة التي تتصرف بها الإلكترونات وجزيئات الماء.

ومع ذلك، فإن القياس يتحقق في بعض المواد.

تؤثر الإلكترونات على بعضها البعض بطرق تشبه التفاعلات بين جزيئات الماء، مما يؤدي إلى سلوك يشبه السوائل.

أحد أشكال هذا السلوك هو إنشاء الدوامات، والتي تم وصفها الآن في الطبيعة لأول مرة، بعد أن أثبتت سابقًا أنها بعيدة المنال.

وقال ليونيد ليفيتوف الأستاذ بمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في بيان:

“الدوامات الإلكترونية متوقعة من الناحية النظرية، لكن لا يوجد دليل مباشر، والرؤية أمر مؤمن”.

“لقد رأينا ذلك الآن، وهو دليل واضح على الوجود في هذا النظام الجديد، حيث تتصرف الإلكترونات كسائل، وليس كجسيمات فردية.”

من بين الظواهر الغريبة التي نشهدها في ظل هذه الظروف المقاومة السلبية و “التدفق الفائق للإلكترون” حيث يبدو أن الإلكترونات تتعاون لتمرير فجوات ضيقة.

يخضع الإلكترون الفردي الذي يتحرك كجزء من تيار كهربائي لمجموعة واسعة من القوى.

وتشمل هذه حركة الذرات في المادة الموصلة والشوائب التي قد تؤثر على تدفقها، وكذلك الجهد الذي يتسبب في تحركها في المقام الأول.

الإلكترونات الأخرى التي هي أيضًا جزء من التيار لها تأثير أيضًا، ولكن في معظم المواد، يكون هذا ضئيلًا مقارنة بأي شيء آخر.

تمثل المواد فائقة التوصيل، حيث تتحرك أزواج الإلكترونات بسلاسة أكبر مما يمكن أن يحدث لإلكترون واحد، استثناءًا جزئيًا.

ومع ذلك، إذا كان بإمكانك إخماد كل شيء آخر، فإن التفاعلات الكمية بين الإلكترونات تصبح هي المهيمنة.

إقرأ أيضا:

كن صيادًا للأمراض الخطيرة من خلال تتبع هياكل الخلايا عبر “Etch A Cell”

جائزة نوبل في الكيمياء: كيف غير مخترعو بطارية أيون الليثيوم العالم؟

تتحرك الإلكترونات كسائل لزج.

لتحقيق هذه الحالة، يجب تنظيف المواد التي تنتقل فيها من الشوائب وتبريدها إلى ما يقرب من الصفر المطلق، لذلك تختفي حركات الذرات تقريبًا.

باستخدام هذه الخصائص، حقق ليفيتوف وزملاؤه تدفقًا أقل مقاومة تقريبًا للإلكترونات عبر graphene في عام 2017.

ومع ذلك، لا يتدفق الماء دائمًا بسلاسة، وبدلاً من ذلك، يمكن أن تصبح مضطربة، بل وتخلق دوامات.

لم يلاحظ المؤلفون سلوكًا مشابهًا في الجرافين، لذا فقد تحولوا إلى صفائح بسمك ذرة واحدة من ثنائي كلوريد التنجستن (WTe2) بدلاً من ذلك.

لا يبرز WTe2 الخصائص الشبيهة بالموجات للإلكترونات فحسب، بل لاحظ ليفيتوف: “المادة نظيفة جدًا، مما يجعل السلوك الشبيه بالسوائل يمكن الوصول إليه مباشرة.”

حفر المؤلفون قناة تمتد بين غرفتين دائريتين على صفائح من WTe2 والذهب للمقارنة.

عندما تم تشغيل التيارات عبر الزخرفة عند 4.5 درجة كلفن (-451 درجة فهرنهايت) ، كشفت الحقول المغناطيسية عن سلوك الإلكترونات.

كان المؤلفون قادرين على مشاهدة الإلكترونات وهي تدور داخل وخارج الغرف الجانبية وهي تصنع دوامات كهربائية صغيرة في طريقها، ولكن فقط في ditelluride التنجستن، وليس الذهب.

قال ليفيتوف: “لقد لاحظنا تغيرًا في اتجاه التدفق في الغرف، حيث عكس اتجاه التدفق الاتجاه مقارنةً بالاتجاه في الشريط المركزي.

وهذا شيء مذهل للغاية، وهو نفس الفيزياء الموجودة في السوائل العادية، ولكن تحدث مع الإلكترونات على مقياس النانو، وهذا دليل واضح على وجود الإلكترونات في نظام يشبه السوائل “.

كانت الظروف بحاجة إلى أن يتم التحكم فيها بعناية لإنتاج هذه الدوامات – إذا كانت الفجوات التي تتدفق من خلالها الإلكترونات قد اتسعت، وأي اضطراب يجعلها تختفي.

بالقرب من نقطة الانتقال حيث يحل التدفق السلس محل الاضطراب، شوهدت دوامات كهربائية تنقسم إلى قسمين، أحد السلوكيات المتوقعة التي كان ليفيتوف وفريقه يأملون في مشاهدتها.

من المأمول أن تحتوي الملاحظات على تطبيقات واقعية مثل توجيه طرق لتشغيل الإلكترونيات منخفضة الطاقة بشكل أكثر كفاءة.

المصدر