三电子液滴表现出类液体特性
对相互作用电子系统进行分裂的实验揭示了类液体状态的特征——即便对于仅含3个电子的系统亦是如此。
电子之间通过库仑相互作用（存在于所有带电粒子之间）产生强烈排斥。在多电子系统中，这种相互作用能形成一种类液体相，称为库仑液体。在《自然》杂志的一篇论文中，沙朱（Shaju）等人¹填补了单对电子的库仑相互作用与库仑液体形成之间的研究空白，发现仅由3个电子组成的“液滴”就具有库仑液体的特征。库仑液体的行为以强烈的粒子间相互作用为特征，这意味着电子的运动是相互关联的——一个电子的行为会受到其他电子行为的影响。沙朱等人研究了“电子液滴”中库仑液体的形成过程，这类液滴由少量（本研究中为2至5个）受限于狭小空间内的相互作用电子组成。研究人员通过将电子液滴分裂为两部分，测量分裂后小液滴中电子的关联特性，以此展开研究。
电子间强烈的库仑斥力意味着，要形成液滴，粒子必须受到电场的约束。目前已有成熟的纳米制造技术可在半导体中创建电子液滴，包括一些利用纳米级电极产生电场的技术²。在这些技术中，约束位置通常是固定的，但沙朱及其同事需要分离最终形成的液滴以测量其特性。为此，他们利用声波来创建和操控电子液滴。
实验在砷化镓半导体平台上进行。砷化镓具有压电性，这意味着当它发生机械形变时会产生电场。当声波在砷化镓表面传播时，还会产生电磁波。研究人员利用这些电磁场来约束2至5个电子，形成液滴并对其进行空间操控。该技术此前已被用于研究电子之间的碰撞³。
为开展分裂实验，研究人员利用声波使电子液滴沿Y形通道移动。通道边缘是沉积在砷化镓上的金属电极，电极上施加有电压。在通道的分叉处，液滴发生分裂（图1）。分裂后的液滴分离并沿不同通道移动。
图1 | 电子液滴中的强相互作用液相** 电子可形成一种高度关联的液体，称为库仑液体。沙朱等人¹在由2至5个电子组成的“液滴”中寻找这种液体的特征。实验在砷化镓平台的Y形通道中进行。电子液滴在表面声波的作用下沿该通道移动。通过在通道分叉处将液滴分裂为两部分，并测量每个分裂后液滴中的电子数量，计算电子之间的关联性。电子液滴通过从静态量子点源中移出电子产生，这会产生一个电流（Is），该电流取决于液滴中的电子数量。分裂后液滴中的电子数量通过将液滴吸收到量子点中并检测电流变化（ID1、ID2）来测量。
研究人员通过从量子点（将电子约束在砷化镓平台固定点的纳米结构）中转移电子来创建液滴。这些量子点与能分辨单个电子的电荷敏感探测器相连，这使研究人员能够创建具有已知电子数量的液滴。每个通道末端都采用了相同的量子点与单电子传感器组合，用于测量最终液滴中的电子数量⁴。
电子液滴的分裂方式多种多样。例如，一个4电子液滴可能分裂为两个2电子液滴，或分裂为1个单电子和1个3电子液滴，也可能不发生分裂而直接进入某一个通道。液滴以某种方式分裂的概率取决于电子之间的库仑相互作用。如果每个电子独立运动且两个通道完全相同，那么每个电子有50%的概率进入任意一个通道。当一个含N个电子的液滴分裂时，实验结束时观察到一个含m个电子的分裂液滴的概率，与N次抛硬币中出现m次正面（或反面）的概率相同——这类实验遵循一种称为二项分布的概率函数。
然而，在沙朱及其同事的实验中，由于库仑相互作用，每个电子的行为预计会与其他电子的行为相关联。这种关联行为会导致实验结果偏离二项分布，因此可能成为液滴呈现库仑液体特性的证据。
作者利用一种称为多元累积量的统计量来寻找电子液滴中库仑液体的特征，多元累积量可用于量化电子之间的关联性。研究人员通过对不同大小的液滴进行分裂实验，测量每个分裂后液滴的大小，并通过数千次重复实验计算每种结果的可能性，从而得到多元累积量。
沙朱及其同事计算了含最多5个电子的液滴的多元累积量。他们还通过在两个输出通道间施加电势差，来改变液滴分裂为不同大小的概率。电子更倾向于进入势能较低的通道，研究人员利用这一特性在广泛的实验条件下收集液滴分裂的统计数据。
研究人员发现，由两个电子组成的液滴表现出一种称为反聚束的关联行为，这意味着一个电子的行为往往与另一个电子相反。这种关联扩展到了含3、4和5个电子的液滴中——每个电子在通道中的运动不能被视为独立的，而是与其他电子的运动相关联。
多元累积量的值取决于电子液滴的初始大小。然而，研究人员表明，对于含3个以上电子的液滴，其多元累积量的行为可通过一种称为伊辛模型的模型来预测。该模型用于描述气相和液相，并能捕捉气液之间的相变。研究人员发现，含至少3个电子的液滴的多元累积量值与库仑液体的特征相符。
本研究的一大亮点是在控制少量电子方面所取得的技术成就。此前已有研究展示了对单个电子的空间操控，但沙朱及其同事将这一技术扩展到了含最多5个电子的液滴。单电子已被探索作为量子计算机中编码信息的平台，而这项工作可能将其扩展到更复杂的电路中⁵。库仑相互作用在超导、磁性以及金属与绝缘态之间的热力学相变中也起着关键作用。然而，理解展现这些现象所需的最小系统尺寸仍是一个挑战。
此外，多元累积量在粒子物理学中应用广泛，而采用这种方法来确定库仑液体的形成是极具创新性的。夸克和胶子等基本粒子可形成一种称为等离子体的高能带电相，在粒子对撞机中重离子碰撞时，可能会形成这种等离子体所需的条件。多元累积量被用于分析夸克-胶子等离子体⁶。
将物体分解为更小的部分是理解其工作原理的一种行之有效的方法——这项研究正是这一原理的激动人心的应用。为扩展沙朱及其同事的发现，可以通过改变器件几何结构或使用不同材料来调节库仑相互作用的强度。如果能设计出具有可控特性的液滴状态，那么观察它们分裂时的行为将会引起人们的极大兴趣。
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