Τα ηλεκτρόνια πιάστηκαν να κινούνται γύρω από την στροφή - Physics World

Έχοντας έμπνευση από τη ροή του αέρα γύρω από τα φτερά του αεροπλάνου, ερευνητές στις ΗΠΑ απεικόνισαν για πρώτη φορά φωτοδιεγερμένα ηλεκτρόνια που ρέουν γύρω από αιχμηρές στροφές. Επειδή τέτοιες στροφές συναντώνται συχνά σε ολοκληρωμένα οπτοηλεκτρονικά κυκλώματα, η παρατήρηση των «εξορθολογισμών» των ηλεκτρονίων θα μπορούσε να οδηγήσει σε βελτιώσεις στο σχεδιασμό του κυκλώματος.

Πριν από περισσότερα από 80 χρόνια, οι φυσικοί Γουίλιαμ Σόκλεϊ και Σάιμον Ράμο έδειξαν θεωρητικά ότι όταν τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν γύρω από τις στροφές, οι γραμμές τους συμπιέζονται τοπικά, παράγοντας θερμότητα. Μέχρι τώρα, ωστόσο, κανείς δεν είχε μετρήσει απευθείας αυτό το φαινόμενο, επειδή είναι τόσο δύσκολο να παρατηρηθούν οι βελτιωτικές γραμμές των φωτορευμάτων ηλεκτρονίων –δηλαδή των ηλεκτρικών ρευμάτων που προκαλούνται από το φως– μέσω μιας συσκευής εργασίας.

Στη νέα εργασία, η οποία περιγράφεται στο Πρακτικά της Εθνικής Ακαδημίας Επιστημών, ερευνητές με επικεφαλής φυσικούς Ναθάνιελ Γκαμπόρ και David Mayes του Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας, Riverside κατασκεύασε μια συσκευή μικρομαγνητικής ετεροδομής κατασκευασμένη από ένα στρώμα πλατίνας σε υπόστρωμα σιδήρου γρανάτη υττρίου (YIG) και το τοποθέτησε σε ένα περιστρεφόμενο μαγνητικό πεδίο. Στη συνέχεια κατεύθυναν μια ακτίνα λέιζερ στο YIG, προκαλώντας τη θέρμανση της συσκευής και πυροδοτώντας ένα φαινόμενο γνωστό ως φαινόμενο φωτο-Νερνστ. Αυτό το φαινόμενο είναι που δημιουργεί το φωτορεύμα.

Παρατηρώντας το συνολικό μοτίβο των γραμμών ροής

Αλλάζοντας την κατεύθυνση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, η ομάδα «εγχέει το ρεύμα με τέτοιο τρόπο ώστε όχι μόνο να ελέγχουμε τη θέση της πηγής του, αλλά και την κατεύθυνσή του», εξηγεί ο Mayes. Επιπλέον, προσθέτει, «αποδεικνύεται ότι όταν μετράτε την ηλεκτρονική απόκριση καθώς το κάνετε αυτό ξανά και ξανά, καταλήγετε να παρατηρείτε το συνολικό μοτίβο των εξορθολογισμών».

Για να δείξουν τη δύναμη της τεχνικής τους, οι ερευνητές επανέλαβαν τα πειράματα σε μια τροποποιημένη συσκευή που ονομάζεται electrofoil που τους επέτρεψε να στρέψουν, να συμπιέσουν και να επεκτείνουν τις γραμμές φωτορεύματος με τον ίδιο τρόπο που τα φτερά του αεροπλάνου συστέλλονται, συμπιέζουν και επεκτείνουν τη ροή του αέρα. Και στα δύο σενάρια, οι γραμμές ροής αντιπροσωπεύουν την κατεύθυνση της ροής που αποδίδει τη μεγαλύτερη απόκριση σε κάθε σημείο, όπως προβλέπεται από το θεώρημα των Shockley και Ramo.

«Πίσω στα τέλη της δεκαετίας του 1930, αυτοί οι δύο διαπρεπείς φυσικοί συνειδητοποίησαν ότι ένα δωρεάν φορτίο σε μια συσκευή δεν χρειάζεται να φτάσει σε ένα ηλεκτρόδιο για να προκαλέσει ηλεκτρική απόκριση», λέει ο Mayes. Κόσμος Φυσικής. «Αντίθετα, η κίνηση των δωρεάν χρεώσεων θα επηρεάσει όλες τις άλλες χρεώσεις στη συσκευή λόγω της δύναμης Coulomb.

«Οι Shockley και Ramo μπόρεσαν να δείξουν ότι οι γραμμές ροής όχι μόνο απεικονίζουν την «προτιμώμενη» κατεύθυνση ρεύματος για τη συσκευή, αλλά και ότι αντιπροσωπεύουν το μοτίβο της ροής του ρεύματος μέσα από αυτήν σαν να είχαμε απλώς ωθήσει το ένα άκρο της συσκευής και γειώσαμε το άλλα."

Αποφυγή καυτών σημείων

Ο Gabor σημειώνει ότι το να είναι σε θέση να προσδιορίσει πού συμπιέζονται οι γραμμές ροής ρεύματος σε μια συσκευή θα μπορούσε να βοηθήσει τους σχεδιαστές κυκλωμάτων να αποφύγουν τη δημιουργία τέτοιων τοπικών καυτών σημείων. «Τα αποτελέσματα από τη μελέτη μας υποδηλώνουν επίσης ότι δεν πρέπει να έχετε χαρακτηριστικά απότομης κάμψης στο ηλεκτρικό σας κύκλωμα», λέει, προσθέτοντας ότι τα καλώδια σταδιακής καμπυλότητας «δεν είναι η τελευταία λέξη της τεχνολογίας αυτή τη στιγμή».

Τα ηλεκτρόνια θερμαίνονται κατά την πρώτη παρατήρηση του spin Nernst effect

Οι ερευνητές τώρα διερευνούν τρόπους για να αυξήσουν την ανάλυση της τεχνικής τους, ενώ παράλληλα δοκιμάζουν νέες συσκευές και υλικά. Ειδικότερα, θα ήθελαν να μετρήσουν τον εξορθολογισμό σε συσκευές που έχουν διαμορφωθεί σε γεωμετρίες, όπως μια «βαλβίδα Tesla», η οποία περιορίζει τη ροή των ηλεκτρονίων προς μία κατεύθυνση.

«Το εργαλείο μέτρησής μας είναι ένας ισχυρός τρόπος οπτικοποίησης και χαρακτηρισμού οπτοηλεκτρονικών συσκευών ροής φόρτισης», λέει ο Gabor. «Ελπίζουμε να προωθήσουμε τις ιδέες μας προς νέα αναδυόμενα υλικά που περιλαμβάνουν τόσο μαγνητικά εφέ τύπου Nernst όσο και μη συμβατική συμπεριφορά ροής ρεύματος».

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Ενδυναμώστε τον εαυτό σας. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoESG. Ανθρακας, Cleantech, Ενέργεια, Περιβάλλον, Ηλιακός, Διαχείριση των αποβλήτων. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoHealth. Ευφυΐα βιοτεχνολογίας και κλινικών δοκιμών. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/electrons-caught-going-around-the-bend/