นักฟิสิกส์เล็งใช้กระแสอิเล็กตรอนไหลเหมือนน้ำวน สร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ประหยัดพลังงาน

วันที่ 16 กรกฎาคม 2565 - 09:06 น.

แม้ตามปกติอิเล็กตรอนจะมีพฤติกรรมแบบอนุภาคเดี่ยว แต่ล่าสุดนักฟิสิกส์พบว่ามันสามารถมีพฤติกรรมรวมหมู่ โดยไหลไปเหมือนกระแสน้ำที่ปั่นป่วนหมุนวน หรือเหมือนกับพายุทอร์นาโดได้

การที่อิเล็กตรอนจะมีพฤติกรรมแบบของไหลในโลหะบางชนิดและในสภาวะบางอย่าง ถูกทำนายเอาไว้แล้วเมื่อหลายสิบปีก่อน แต่ทีมนักฟิสิกส์จากสถาบันเทคโนโลยีแห่งแมสซาชูเซตส์หรือเอ็มไอที (MIT) ของสหรัฐฯ และสถาบันวิทยาศาสตร์ไวซ์มานน์ของอิสราเอล เพิ่งได้พบเห็นปรากฏการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นจริงเป็นครั้งแรกเมื่อไม่นานมานี้

รายงานการค้นพบที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature ระบุว่า เมื่อให้อิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านตัวกลางที่เป็นโลหะความบริสุทธิ์ยิ่งยวด (ultraclean) ในภาวะอุณหภูมิต่ำเฉียดใกล้ศูนย์สัมบูรณ์ (absolute zero) คุณสมบัติทางควอนตัมของกลุ่มอิเล็กตรอนจะปรากฏออกมาชัดเจนขึ้น ทำให้มันกลายเป็นของไหลที่มีความหนืดคล้ายน้ำผึ้ง

Advertisment

กลุ่มอิเล็กตรอนในสภาวะของไหลนี้ สามารถเปลี่ยนทิศทางการไหลจนเกิดวังน้ำวนเมื่อพบสิ่งกีดขวางได้ ต่างจากอิเล็กตรอนปกติที่มีทิศทางการเคลื่อนตัวที่แน่นอนไม่เปลี่ยนแปลง

มีการทดลองให้อิเล็กตรอนในอุณหภูมิที่สูงกว่าศูนย์สัมบูรณ์เพียง 4.5 องศาเซลเซียส เคลื่อนผ่านทังสเตนไดเทลลูไรด์ (WTe2) ซึ่งเป็นโลหะที่มีความบริสุทธิ์สูง แล้วเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอนที่เคลื่อนผ่านผงทองคำ (Au) โดยทีมผู้วิจัยได้ทำช่องว่างทรงกลมดักไว้ตรงด้านข้างของเส้นทางที่กระแสอิเล็กตรอนจะไหลผ่านด้วย

ผลปรากฏว่าอิเล็กตรอนเกิดการไหลเหมือนน้ำวน ในช่องว่างทรงกลมที่เตรียมไว้ของแผ่น WTe2 แต่ไม่พบปรากฏการณ์ดังกล่าวในผงทองคำ ซึ่งอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตรงไปข้างหน้าโดยไม่เปลี่ยนทิศทาง แม้เจอกับช่องว่างที่ดักอยู่ด้านข้างก็ตาม

ศาสตราจารย์ลีโอนิด เลวิตอฟ ผู้นำทีมวิจัยจากเอ็มไอที เจ้าของผลงานการค้นพบว่าอิเล็กตรอนสามารถไหลเหมือนกระแสน้ำได้ในกราฟีน (Graphene) บอกว่าการค้นพบครั้งนี้จะเป็นประโยชน์ต่อการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์รุ่นใหม่ ซึ่งจะทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงโดยใช้พลังงานไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย

Advertisment

“การที่กลศาสตร์ของไหลซึ่งเป็นหลักการฟิสิกส์ทั่วไป กลับมาเกิดขึ้นได้กับอิเล็กตรอนซึ่งเป็นอนุภาคในระดับนาโน ทำให้เรามีโอกาสที่จะออกแบบและพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แห่งอนาคต ซึ่งแทบจะไม่สูญเสียพลังงานออกจากระบบเลย เพราะอิเล็กตรอนไหลไปโดยไม่มีการต้านทาน” ศ. เลวิตอฟกล่าว