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新的物理学研究揭示了材料中电子行为的新复杂性

当电子流过导体时——例如手机充电器中的铜线或笔记本电脑电路板上的硅芯片——它们会与材料杂质碰撞,并以微小的原子狂潮相互碰撞。它们与杂质的相互作用是众所周知的。

然而,虽然了解电子如何相互作用是了解物理学的基础,但事实证明,测量这些相互作用的强度对物理学家来说是一个棘手的挑战。

由弗吉尼亚理工大学研究人员领导的一个团队发现,通过创造一组特定的条件,他们可以比以往更精确地量化电子 - 电子相互作用。他们的发现扩展了现有的物理理论,可用于改进电子设备和量子计算机。他们最近在《自然通讯》杂志上发表了他们的发现。

为了研究电子如何相互作用,该团队制造了可以产生电子束的微型装置。他们需要三个特定条件才能得到结果:低温、使电子在轨道上旋转的磁场以及由普渡大学的合作者提供的超纯材料。他们的目标是:观察电子在遇到其他电子并散射之前会在其轨道上运行多远。由于该设备是由超纯材料制成的,该团队知道没有任何其他变量会导致散射——他们可以目睹电子相互作用而没有任何混杂变量。

“通常发生在有规律的,不纯的半导体是电子经历如此多的冲突与杂质,你根本不知道电子-电子相互作用实际上做了什么,说:”让Heremans,在一个教授说物理系的学院科学。“但是当你去除这些杂质时,你会得到一种超纯材料,突然间那些电子-电子相互作用变得明显。如此巨大的效应让我们有点惊讶——我们可以用它来量化电子相互作用。”

然而,这并不是团队遇到的唯一惊喜。科学家最近发现,在某些材料和条件下,电子群会集体流动,其行为类似于液体。纽约特洛伊伦斯勒理工学院的项目合作者使用高性能计算机模拟了电子群的流动方式。他们的图像显示,电子流入漩涡,就像漩涡一样——这种行为在有磁场的情况下还有待记录。

“即使电子之间的相互作用非常微弱,漩涡实际上仍然存在,”该研究的主要作者、博士生阿德布特·古普塔 (Adbhut Gupta) 说。贺尔曼实验室的候选人。“在这一点上,对于弱相互作用极限中的这种集体行为知之甚少。这是一种新现象,单个粒子不会表现出来。我们的实验是第一个暗示这种集体行为的实验。”

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