尽管它们是离散的粒子，但水分子以液体的形式集体流动，产生溪流、波浪、漩涡和其他经典的流体现象。

用电不是这样。虽然电流也是不同粒子（在这种情况下是电子）的构造，但粒子是如此之小，以至于当电子穿过普通金属时，它们之间的任何集体行为都会被更大的影响所淹没。但是，在某些材料和特定条件下，这种影响会逐渐消失，电子可以直接相互影响。在这些情况下，电子可以像流体一样集体流动。

现在，麻省理工学院和魏茨曼科学研究所的物理学家已经观察到电子在漩涡或漩涡中流动——这是理论家预测电子应该表现出的流体流动的标志，但直到现在才被发现。

麻省理工学院物理学教授列昂尼德·列维托夫说：“理论上预计会出现电子涡旋，但没有直接证据，眼见为实。” “现在我们已经看到了，这是处于这种新状态的明显标志，电子表现为流体，而不是单个粒子。”

今天在《自然》杂志上报道的这些观察结果可以为设计更高效的电子产品提供信息。

“我们知道当电子进入流体状态时，[能量] 耗散会下降，这对尝试设计低功率电子设备很有意义，”Levitov 说。“这一新观察是朝着这个方向迈出的又一步。”

列维托夫与以色列魏茨曼科学研究所和丹佛科罗拉多大学的 Eli Zeldov 等人是这篇新论文的合著者。

集体挤压

当电流通过大多数普通金属和半导体时，电流中电子的动量和轨迹会受到材料中的杂质和材料原子之间的振动的影响。这些过程支配着普通材料中的电子行为。

但理论家预测，在没有这种普通的经典过程的情况下，量子效应应该会占据上风。也就是说，电子应该捕捉彼此微妙的量子行为并集体移动，作为一种粘性的、蜂蜜状的电子流体。这种类似液体的行为应该出现在超净材料和接近零的温度下。

2017 年，曼彻斯特大学的 Levitov 及其同事报告了石墨烯中这种流体状电子行为的特征，石墨烯是一种原子薄的碳片，他们在其上蚀刻了一个带有几个夹点的薄通道。他们观察到，通过通道发送的电流可以以很小的阻力流过收缩部分。这表明电流中的电子能够集体挤过夹点，就像流体一样，而不是像单个沙粒那样堵塞。

这第一个迹象促使列维托夫探索其他电子流体现象。在这项新研究中，他和魏茨曼科学研究所的同事希望将电子涡旋可视化。正如他们在论文中所写的那样，“尽管有许多理论预测，但在电子流体中尚未观察到常规流体流动中最引人注目和普遍存在的特征，即涡流和湍流的形成。”

导流

为了可视化电子涡旋，该团队研究了二碲化钨 (WTe2)，这是一种超洁净的金属化合物，被发现在以单原子薄的二维形式分离时表现出奇异的电子特性。

“二碲化钨是一种新的量子材料，其中电子强烈相互作用并表现为量子波而不是粒子，”Levitov 说。“此外，材料非常干净，可以直接访问类似流体的行为。”

研究人员合成了纯二碲化钨单晶，并剥离了该材料的薄片。然后，他们使用电子束光刻和等离子蚀刻技术将每个薄片图案化成一个中心通道，该通道连接到两侧的圆形腔室。他们将相同的图案蚀刻成薄薄的金片——一种具有普通经典电子特性的标准金属。

然后，他们在 4.5 开尔文（约 -450 华氏度）的超低温下通过每个图案化样品运行电流，并使用尖端上的纳米级扫描超导量子干涉装置 (SQUID) 测量每个样品特定点的电流。该设备是在 Zeldov 的实验室中开发的，能够以极高的精度测量磁场。使用该设备扫描每个样品，该团队能够详细观察电子如何流过每种材料中的图案化通道。

研究人员观察到，电子流过金片中的图案化通道时不会反转方向，即使一些电流在与主电流汇合之前通过每个侧室。相比之下，流经二碲化钨的电子流过通道并旋转进入每个侧室，就像水倒进碗里时一样。电子在流回主通道之前在每个腔室中产生小漩涡。

“我们观察到腔室中流动方向的变化，与中央条带相比，流动方向反转了方向，”Levitov 说。“这是一件非常引人注目的事情，它与普通流体中的物理学相同，但发生在纳米级的电子上。这是电子处于类似流体状态的明显特征。”

该小组的观察是电流中漩涡的第一次直接可视化。这些发现代表了对电子行为基本特性的实验证实。它们还可能为工程师如何设计以更流畅、电阻更低的方式导电的低功率设备提供线索。

未参与这项研究的瑞士苏黎世联邦理工学院物理学教授克劳斯·恩斯林（Klaus Ensslin）说：“在不同材料的许多实验中都报告了粘性电子流的特征。” “涡流状电流的理论预期现已通过实验得到证实，这为研究这种新型传输机制增加了一个重要的里程碑。”

这项研究得到了欧洲研究委员会、德国-以色列科学研究与发展基金会和以色列科学基金会的部分支持。

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