物性物理学：電子流体における渦の直接観測

渦は、流体力学的な流れの顕著な特徴である。超高純度伝導体において強く相互作用する電子は、負の非局所抵抗、バリスティックを超える伝導、狭チャネルにおけるポアズイユ流れ、ウィーデマン–フランツ則の破れなどの、流体力学的な挙動の特徴を示すことがある。今回我々は、電子流体における渦巻きの可視化について報告する。我々は、探針上のナノスケール走査型超伝導量子干渉素子を用いることにより、高純度のタイプIIワイル半金属WTe₂において、電流が流れる帯状部に小さな開口部を通してつながった円形チャンバー部での電流分布を画像化した。この形状では、Gurzhi運動量拡散長と開口部サイズによって渦安定性の相図が決まる。我々は、開口部が小さい場合にのみ渦が存在し、開口部が大きい場合は、流れが層流（渦流ではない）になることを見いだした。我々は、渦流から層流への転移の近傍で、チャンバー内の単一の渦が2つの渦に分裂することを観察した。この挙動は、流体力学的な領域でのみ予想されており、バリスティック輸送では予想されていないものである。これらの知見から、電子運動量の空間的拡散が、常に誘起され低温で極めて弱くなる電子–電子散乱ではなく、表面の小角散乱によって可能になるという、薄く純粋な結晶における流体力学的な流れの新しい機構が示唆される。この表面誘起パラ流体力学は、渦などの従来の流体力学の多くの側面によく似ており、高移動度電子系において電子流体工学を探究・利用する新しい可能性を開く。

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