Gli elettroni catturati mentre girano dietro la curva – Physics World

Prendendo ispirazione dal flusso d'aria attorno alle ali degli aerei, alcuni ricercatori negli Stati Uniti hanno ripreso per la prima volta gli elettroni fotoeccitati che fluiscono attorno a curve strette. Poiché tali curve si trovano spesso nei circuiti optoelettronici integrati, l'osservazione delle “linee aerodinamiche” degli elettroni potrebbe portare a miglioramenti nella progettazione dei circuiti.

Più di 80 anni fa, i fisici William Shockley e Simon Ramo dimostrarono teoricamente che quando gli elettroni viaggiano lungo delle curve, le loro linee di flusso vengono compresse localmente, producendo calore. Fino ad ora, però, nessuno aveva misurato direttamente questo effetto perché è molto difficile osservare le linee di flusso delle fotocorrenti degli elettroni – cioè le correnti elettriche indotte dalla luce – attraverso un dispositivo funzionante.

Nel nuovo lavoro, che è descritto nel Atti della National Academy of Sciences, ricercatori guidati da fisici Nathaniel Gabor ed Davide Mayes della Università della California, Riverside hanno costruito un dispositivo eterostruttura micromagnetico costituito da uno strato di platino su un substrato di granato di ferro ittrio (YIG) e lo hanno posizionato in un campo magnetico rotante. Hanno quindi diretto un raggio laser sullo YIG, provocando il riscaldamento del dispositivo e innescando un fenomeno noto come effetto foto-Nernst. È questo effetto che genera la fotocorrente.

Osservazione dello schema generale delle linee di flusso

Cambiando la direzione del campo magnetico esterno, il team “inietta la corrente in modo tale da poter controllare non solo la posizione della sorgente, ma anche la sua direzione”, spiega Mayes. Inoltre, aggiunge, “si scopre che quando si misura la risposta elettronica mentre si fa questa operazione più e più volte, si finisce per osservare lo schema generale delle linee di flusso”.

Per dimostrare la potenza della loro tecnica, i ricercatori hanno ripetuto gli esperimenti su un dispositivo modificato chiamato elettrofoil che ha permesso loro di contorcere, comprimere ed espandere le linee di corrente della fotocorrente nello stesso modo in cui le ali degli aerei contorcono, comprimono ed espandono il flusso d’aria. In entrambi gli scenari, le linee di flusso rappresentano la direzione del flusso che produce la massima risposta in ogni punto, come previsto dal teorema di Shockley e Ramo.

"Alla fine degli anni '1930, questi due eminenti fisici si resero conto che una carica libera in un dispositivo non deve necessariamente raggiungere un elettrodo per indurre una risposta elettrica", dice Mayes Mondo della fisica. “Invece, il movimento delle cariche libere influenzerà tutte le altre cariche presenti nel dispositivo a causa della forza di Coulomb.

"Shockley e Ramo sono stati in grado di dimostrare che le linee di flusso non solo illustrano la direzione 'preferita' della corrente per il dispositivo, ma rappresentano anche il modello del flusso di corrente attraverso di esso, come se avessimo semplicemente polarizzato un'estremità del dispositivo e messo a terra il altro."

Evitare i punti caldi

Gabor osserva che essere in grado di determinare dove le linee di flusso di corrente vengono compresse in un dispositivo potrebbe aiutare i progettisti di circuiti a evitare la creazione di tali punti caldi locali. "I risultati del nostro studio suggeriscono anche che non si dovrebbero avere caratteristiche di piegatura netta nel circuito elettrico", afferma, aggiungendo che i cavi che si curvano gradualmente "non sono lo stato dell'arte in questo momento".

Gli elettroni si riscaldano nella prima osservazione dell'effetto Nernst di spin

I ricercatori stanno ora esplorando modi per aumentare la risoluzione della loro tecnica testando allo stesso tempo nuovi dispositivi e materiali. In particolare, vorrebbero misurare le linee aerodinamiche in dispositivi modellati in geometrie come una “valvola Tesla”, che limita il flusso di elettroni in una direzione.

“Il nostro strumento di misurazione è un modo potente per visualizzare e caratterizzare i dispositivi optoelettronici del flusso di carica”, afferma Gabor. “Speriamo di portare avanti le nostre idee verso nuovi materiali emergenti che includano sia effetti magnetici di tipo Nernst che comportamenti non convenzionali del flusso di corrente”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/electrons-caught-going-around-the-bend/