Viscochiral Transport: Chiral Selection of Hydrodynamic Vortices by Berry Curvature

In de wereld van elektriciteit denken we meestal aan elektronen als kleine, onafhankelijke deeltjes die tegen obstakels botsen, vergelijkbaar met regendruppels die tegen een voorruit slaan. Dit is de standaardmanier waarop stroom door de meeste draden vloeit, een gedrag dat wordt beheerst door eenvoudige weerstand. Echter, onder zeer specifieke omstandigheden — zoals in extreker zuivere materialen bij extreem lage temperaturen — kunnen elektronen stoppen met het gedragen als individuele biljartballen en beginnen te gedragen als een dikke, stroperige vloeistof. In deze zeldzame staat, bekend als het hydrodynamische regime, botsen de elektronen veel vaker met elkaar dan met onzuiverheden. Dit collectieve gedrag stelt hen in staat om te draaien en te tollen, waardoor complexe stromingspatronen ontstaan die meer lijken op water dat door een pijp stroomt dan op elektriciteit die door een draad stroomt. Wetenschappers zijn onlangs begonnen met het visualiseren van deze draaiende stromingen, maar een nieuwe vraag is opgekomen: wat gebeurt er wanneer deze elektronenvloeistof wordt blootgesteld aan een kracht die de gebruikelijke symmetrie van de tijd doorbreekt, een eigenschap die tijdreversie-symmetrie wordt genoemd?

Een team onderzoekers aan het Massachusetts Institute of Technology heeft een nieuwe staat van transport voorspeld waarbij deze elektronenvloeistof gestuurd kan worden om één type spin boven een ander te verkiezen, waardoor effectief wordt gekozen welke kant de vloeistof draait. Zij noemen dit het "viscochirale" regime. Hun werk suggereert dat door een specifiek soort onbalans in de interne geometrie van het materiaal te creëren, zij een draaiende vortex in één deel van een apparaat kunnen versterken terwijl zij een soortgelijke draai in een ander deel volledig kunnen onderdrukken. Deze ontdekking berust op een concept genaamd Hall-viscositeit, een eigenschap die ontstaat wanneer de stroom van elektronen wordt beïnvloed door de interne structuur van het materiaal, specifiek een geometrische functie die Berry-kromming wordt genoemd. Terwijl een uniforme versie van deze eigenschap niets verandert aan de stroming van een onsamendrukbare vloeistof, ontdekten de onderzoekers dat als deze eigenschap van de ene naar de andere kant van het apparaat verandert, de gradiënt ervan fungeert als een directionele kracht. Deze kracht kan de rotatie van de vloeistof in een specifieke richting duwen, waardoor de natuurlijke symmetrie van het systeem wordt doorbroken.

Om dit idee te testen, modelleerden de onderzoekers een apparaat gemaakt van bilateraal grafeen, een materiaal dat bestaat uit twee gestapelde lagen koolstofatomen. Ze stelden zich een opstelling voor met een centraal kanaal dat uitmondt in twee zijkamers, een geometrie die van nature de vorming van draaiende wervelingen, of vortices, in beide kamers aanmokt. In een standaard elektronenvloeistof, of een vloeistof waarbij de interne geometrische eigenschappen overal hetzelfde zijn, zouden deze twee kamers een paar spiegelbeeldige vortices huisvesten die in tegengestelde richtingen draaien. De stroming zou perfect in balans zijn. Echter, het team simuleerde wat er zou gebeuren als de bron en de afvoer van het apparaat zo zouden worden afgestemd dat ze tegengestelde magnetische eigenschappen hebben, waardoor een scherpe grens ontstaat waar de interne geometrie van het materiaal abrupt verandert. In dit scenario fungeert de gradiënt van de Hall-viscositeit als een selector. Het versnelt niet simpelweg de stroom; het draagt actief de kracht van de draaiing over van de ene kamer naar de andere.

De resultaten van hun simulaties onthullen een dramatische verschuiving in gedrag. Naarmate het verschil in de interne geometrie toeneemt, wordt de vortex in de ene kamer sterker en energieker, terwijl de vortex in de andere kamer verzwakt tot deze volledig verdwijnt. Het systeem transformeert van een staat van twee gebalanceerde draaiingen naar een asymmetrische staat met een enkele, dominante vortex. Deze transitie is geen geleidelijke vervaging maar een duidelijke schakeling tussen twee regimes van transport. De onderzoekers identificeerden een specifieke verhouding tussen de sterkte van deze geometrische onbalans en de interne plakkerigheid van de vloeistof die bepaalt wanneer deze schakeling plaatsvindt. Ze ontdekten dat als het materiaal al dicht bij het verliezen van zijn vloeistofachtige gedrag is door wrijving met onzuiverheden, deze geometrische onbalans de single-vortex staat kan triggeren met een veel kleinere duw dan verwacht. Dit creëert een "tong" van stabiliteit in hun fasediagram, een regio waar het effect verrassend gemakkelijk te bereiken is, zelfs met bescheiden veranderingen in de eigenschappen van het materiaal.

De studie verduidelijkt ook wat er niet gebeurt in dit proces. De onderzoekers sloten expliciet de mogelijkheid uit dat een uniforme, onveranderlijke versie van deze geometrische eigenschap het stromingspatroon zou kunnen veranderen. Als de interne geometrie overal gelijk is, stroomt de vloeistof exact zoals deze zonder deze eigenschap zou stromen, waarbij de spiegelymmetrie behouden blijft. Het effect is volledig afhankelijk van de verandering, of gradiënt, van de eigenschap over het apparaat. Bovendien is het mechanisme niet gebonden aan de specifieke vorm van de kamers of de microscopische details van het grafeen; het is een generiek kenmerk van elke recirculerende stroming waar een dergelijke gradiënt aanwezig is. De onderzoekers zijn zelfverzekerd over deze bevindingen omdat ze zijn afgeleid van fundamentele vergelijkingen van de vloeistofdynamica aangepast voor elektronen, en ze wijzen naar een duidelijk, meetbaar kenmerk: het verdwijnen van de ene vortex en de versterking van de andere.

Met het oog op de echte wereld suggereren de auteurs dat dit fenomeen binnen het bereik van de huidige experimentele technologie ligt. Ze stellen voor dat door een bilateraal grafeen-apparaat te gebruiken en magnetische velden in tegengestelde richtingen toe te passen bij de bron en de afvoer, wetenschappers de noodzakelijke valley-gepolariseerde fasen kunnen creëren om de vereiste gradiënt te generen. In een dergelijk experiment zouden de stromingsprofielen in kaart gebracht kunnen worden met gevoelige magnetische sensoren, wat het scherpe verschil tussen de twee kamers zal onthullen. De onderzoekers schatten dat met realistische materiaalparameters de condities die nodig zijn om dit effect te observeren ruim binnen het bereik liggen van wat in een laboratorium kan worden bereikt. Dit werk opent een nieuwe deur voor het controleren van de elektronenstroom, niet door de spanning of de vorm van de draad te veranderen, maar door het interne geometrische landschap van het materiaal zelf af te stemmen, wat een nieuwe manier biedt om het collectieve gedrag van elektronen in toekomstige elektronische apparaten te manipuleren.