Les électrons traversent la plupart des matériaux plus comme un gaz que comme un fluide, ce qui signifie qu'ils n'interagissent pas beaucoup les uns avec les autres. On a longtemps émis l'hypothèse que les électrons pouvaient circuler comme un fluide, mais seules les avancées récentes des matériaux et des techniques de mesure ont permis d'observer ces effets dans les matériaux 2D. En 2020, les labos d'Amir Yacoby, Professeur de physique et de physique appliquée à la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS), Philippe Kim, Professeur de physique et professeur de physique appliquée à Harvard et Ronald Walsworth, anciennement du département de physique de Harvard, ont été parmi les premiers à imager les électrons circulant dans le graphène comme l'eau s'écoule dans un tuyau.

Les résultats ont fourni un nouveau bac à sable dans lequel explorer les interactions électroniques et ont offert une nouvelle façon de contrôler les électrons, mais uniquement dans les matériaux bidimensionnels. L'hydrodynamique des électrons dans les matériaux tridimensionnels est restée beaucoup plus insaisissable en raison d'un comportement fondamental des électrons dans les conducteurs connu sous le nom de blindage. Lorsqu'il y a une forte densité d'électrons dans un matériau, comme dans les métaux conducteurs, les électrons sont moins enclins à interagir les uns avec les autres.

Des recherches récentes ont suggéré qu'un flux d'électrons hydrodynamique dans les conducteurs 3D était possible, mais exactement comment cela s'est produit ou comment l'observer est resté inconnu. Jusqu'à maintenant.

Une équipe de chercheurs de Harvard et du MIT a développé une théorie pour expliquer comment un flux d'électrons hydrodynamique pourrait se produire dans des matériaux 3D et l'a observé pour la première fois à l'aide d'une nouvelle technique d'imagerie.

La recherche est publiée dans Physique de la nature .

"Cette recherche offre une voie prometteuse pour la recherche de flux hydrodynamiques et d'interactions électroniques importantes dans les matériaux à haute densité de porteurs, " dit Prineha Narang, Professeur adjoint de science computationnelle des matériaux à SEAS et auteur principal de l'étude.

Le flux d'électrons hydrodynamique repose sur de fortes interactions entre les électrons, tout comme l'eau et d'autres fluides reposent sur de fortes interactions entre leurs particules. Afin de circuler efficacement, les électrons dans les matériaux à haute densité s'organisent de manière à limiter les interactions. C'est la même raison pour laquelle les danses de groupe comme le toboggan électrique n'impliquent pas beaucoup d'interaction entre les danseurs - avec autant de personnes, il est plus facile pour chacun de faire ses propres mouvements.

"À ce jour, les effets hydrodynamiques ont pour la plupart été déduits des mesures de transport, qui brouille effectivement les signatures spatiales, " a déclaré Yacoby. "Notre travail a tracé une voie différente dans l'observation de cette danse et la compréhension de l'hydrodynamique dans les systèmes au-delà du graphène avec de nouvelles sondes quantiques de corrélations électroniques."

Les chercheurs ont proposé que plutôt que des interactions directes, les électrons dans les matériaux à haute densité pourraient interagir les uns avec les autres à travers les vibrations quantiques du réseau atomique, connu sous le nom de phonons.

"Nous pouvons penser aux interactions médiées par les phonons entre les électrons en imaginant deux personnes sautant sur un trampoline, qui ne se propulsent pas directement mais plutôt via la force élastique des ressorts, " a déclaré Yaxian Wang, chercheur postdoctoral au NarangLab de SEAS et co-auteur de l'étude.

Pour observer ce mécanisme, les chercheurs ont développé une nouvelle sonde à balayage cryogénique basée sur le défaut de manque d'azote dans le diamant, qui a imagé le champ magnétique local d'un flux de courant dans un matériau appelé ditellurure de tungstène semi-métallique en couches.

"Notre minuscule capteur quantique est sensible aux petits changements du champ magnétique local, nous permettant d'explorer directement la structure magnétique d'un matériau, " dit Uri Vool, John Harvard distingué chercheur scientifique et co-auteur principal de l'étude.

Non seulement les chercheurs ont trouvé des preuves d'écoulement hydrodynamique dans le ditellurure de tungstène tridimensionnel, mais ils ont également constaté que le caractère hydrodynamique du courant dépend fortement de la température.

"L'écoulement hydrodynamique se produit dans un régime étroit où la température n'est ni trop élevée ni trop basse, et donc la capacité unique de balayer sur une large plage de températures était cruciale pour voir l'effet, " dit Assaf Hamo, chercheur postdoctoral au laboratoire Yacoby et co-auteur principal de l'étude.

"La capacité d'imager et de concevoir ces écoulements hydrodynamiques dans des conducteurs tridimensionnels en fonction de la température, ouvre la possibilité de réaliser une électronique presque sans dissipation dans des dispositifs à l'échelle nanométrique, ainsi que fournit de nouvelles informations sur la compréhension des interactions électron-électron, " dit Georgios Varnavides, un doctorant au NarangLab de SEAS et l'un des principaux auteurs de l'étude. "La recherche ouvre également la voie à l'exploration du comportement non classique des fluides dans le flux d'électrons hydrodynamique, tels que les tourbillons en régime permanent."

"Il s'agit d'un domaine passionnant et interdisciplinaire synthétisant des concepts allant de la matière condensée et de la science des matériaux à l'hydrodynamique computationnelle et à la physique statistique, " a déclaré Narang. Dans des recherches antérieures, Varnavides et Narang ont classé différents types de comportements hydrodynamiques qui pourraient survenir dans les matériaux quantiques où les électrons circulent collectivement.