鑽石舞台

水作為液體能產生複雜的集體性流動，帶來水流、波浪、渦流和其他經典的流體現象。但微觀來看，構成它們的水分子實則是離散的顆粒。

電流雖然也是由粒子（電子）構成的，卻沒有像水那樣的集體流動性。因為電流中的粒子太小了，以至於當電子通過普通金屬時，它們之間的任何集體行為都被更大的影響所淹沒。

但是，理論認為，在某些材料中，在某些特定的條件下，這種「更大的影響」會逐漸消失，電子可以直接相互影響。在這種情況下，電子就可以像流體那樣集體流動。

現在，物理學家第一次真正觀察到電子在渦旋中流動，也就是一種電子渦流。這正是理論學家所預測的電子應該表現出的流體流動的一個典型標誌，在這個體系中，電子表現為一種流體，而不是單個粒子。但直到現在，我們才親眼看見了這種理論預測。研究已於近日發表在《自然》上。

一種集體性的擠壓

當電通過大多數普通金屬和半導體時，電流中電子的動量和軌跡會受到材料中的雜質和材料原子間振動的影響。這些過程主導着普通材料中的電子行為。

但根據預測，在沒有這些普通的經典過程時，量子效應應該會占據主導地位。也就是說，電子應該能夠「留意到」彼此微妙的量子行為，並進行集體移動，就像一種黏稠的、類似蜂蜜的「電子液體」。這種液體般的行為應該出現在超淨材料和近零度的溫度條件下。

2017年，研究人員報道了石墨烯中這種液體般的電子行為的特徵。石墨烯是一種只有原子厚度的碳片，他們在石墨烯上蝕刻了一條有數個箍縮點的薄通道，並觀察到，通過通道的電流可以在幾乎沒有阻力的情況下流經這些縮窄點。這表明，電流中的電子能夠像流體一樣集體擠過箍縮點，而不是像單獨的沙粒那樣堵塞在那裡。

這種初步跡象讓團隊希望繼續探索其他電子流體現象。在我們平日所見的常規流體流動中，最引人注目和無處不在的特徵就是渦旋和湍流的形成。儘管有許多理論預測，但這類現象在電子流體中尚未觀察到。在新的研究中，團隊找到了一條可直接觀察電子渦旋的可視化途徑。

引導流動

為了將電子渦旋可視化，他們將目光投向了二碲化鎢（WTe₂）。這是一種超淨金屬化合物，它的單原子厚度的二維形式可以表現出奇異的電子特性。它是新型的量子材料之一，其中的電子具有強相互作用，並表現為量子波而不是粒子。此外，由於這種材料非常乾淨，使得類似流體的行為可以直接獲得。

研究人員合成了二碲化鎢的純單晶，並剝離出了這種材料的薄片。然後，他們使用電子束光刻和等離子體蝕刻技術，讓每個薄片形成一個中心通道，與兩側的圓形室相連。他們在金的薄片上蝕刻出了同樣的圖案，作為一種具有普通的經典電子特性的標準金屬的對照。

隨後，在4.5開氏度的超低溫度下，電流會通過每個樣品，並在每個樣品的特定點上進行測量。研究使用了尖端的納米級掃描超導量子干涉裝置（SQUID），它能以極高的精度測量磁場。利用這台裝置掃描每個樣品，團隊就能詳細觀察電子如何在每種材料的通道中流動。

實驗示意圖，左邊（a）為金片，右邊（b）為二碲化鎢，圖中箭頭和顏色代表不同電流方向的區分。（圖／Aharon-Steinberg, A. et al.）

研究人員觀察到，流過金片通道的電子沒有逆轉方向，即使一些電流在與主電流匯合之前就通過了兩側的腔室也是如此。

與之相反的是，流經二碲化鎢的電子會流經通道，並旋流進兩側的腔室中，就像水倒入碗中時那樣。電子在每個腔室中形成了小的渦流，然後再流回主通道。也就是說，與中心條帶的流動方向相比，腔室中的流動方向發生了逆轉。

這非常引人注目，它其實與普通流體中的物理一樣，但卻發生在納米尺度的電子上。這正是電子處於類似流體狀態的一個明顯特徵。

基本屬性的實驗確認

這是第一次直接觀察到電子流中的渦旋，這些發現代表了對電子行為中一個基本屬性的實驗確認。

它們實際上還能為工程師們提供線索，為設計更有效的電子產品提供參考。當電子處於流體狀態時，能量耗散會下降，這對設計出以更流暢、更小阻力的方式導電的低功耗的電子產品的嘗試具有特別的意義。