В сверхчистом графене электроны текут, подобно воде

В этом высоко взаимодействующем гидродинамическом режиме электроны должны течь быстрее около центра проводящего канала и медленнее около его стенок - точно так же, как ведет себя вода, текущая по трубе

Когда электроны проходят через проводящий материал, они могут вести себя как вязкая жидкость, создавая пространственный узор, напоминающий воду, текущую по трубе. Так говорят исследователи из Израиля и Великобритании, которым впервые удалось получить с помощью сканирующего зондового микроскопа схематическое изображение этого «гидродинамического» потока. Полученный результат поможет в работе разработчикам электронных устройств будущего, особенно там, где используются 2D материалы, такие как графен, в которых будет важно учитывать гидродинамическое поведение электронов.

Все знакомы с характерными узорами, которые образует вода, текущая в реке или ручье. Когда вода встречает препятствие, например, берег реки или лодку, то картина ее течения меняется. Оказывается, то же самое справедливо и для потока электронов в твердом теле, если между ними имеется сильное взаимодействие. Однако это редко происходит в нормальных условиях, поскольку электроны, вместо взаимодействия друг с другом, постоянно сталкиваться с дефектами и примесями в материале, через который они проходят.

И наоборот, если материал имеет высокую чистоту и охлажден до низких температур, то из этого следует, что электроны должны беспрепятственно перемещаться внутри него, пока не достигнут его краев или не столкнутся со какой-нибудь стенкой. В результате такого пространственного перемещения электронов, они текут с равномерным распределением тока по материалу, осуществляя движение с одинаковой скоростью, как в его центре, так и у стенок.

Если в дальнейшем температура этого материала начнет увеличиваться, электроны станут взаимодействовать друг с другом. Тогда они будут разлетаться друг от друга чаще, чем сталкиваться с препятствиями. В этом высоко взаимодействующем гидродинамическом режиме электроны должны течь быстрее около центра проводящего канала и медленнее около его стенок - точно так же, как ведет себя вода, текущая по трубе.

В последние годы исследователи создали чрезвычайно чистые образцы из 2D-материалов, таких как графен, которые служили испытательными площадками для изучения «электронной гидродинамики». Однако подавляющее большинство этой работы до сих пор было связано с изучением движения электронов, находящихся только в определенных фиксированных положениях по периметру материала.

«С другой стороны, думая о гидродинамических свойствах движения электронов в воображении возникали изображения их динамических траекторий, создающих интересные пространственные узоры». «Ранее такие закономерности предсказывались теоретически, но их пространственного отображения никогда не производилось».

Теперь исследователи впервые изобразили наиболее достоверную пространственную структуру гидродинамического потока электронов. Изучая движение электронов, проходящих через проводящий графеновый канал, зажатый между двумя гексагональными слоями нитрида бора, снабженными электрическими контактами, они получили эту параболическую или пуазейлевскую модель течения тока.

Под действием внешнего электрического поля электроны создают градиент напряжения вдоль направления тока. К сожалению, этот локальный градиент напряжения одинаков как для гидродинамического, так и для обычного пространственного потока электронов, поэтому его нельзя использовать для различения двух режимов.

Эта проблема была решена приложением к образцу слабого магнитного поля, которое создает другой вид напряжения - напряжение Холла, которое расположено перпендикулярно направлению тока. Градиент этого напряжения сильно различается для гидродинамических и пространственных потоков.

Исследователи визуализировали модель с приложенным напряжением Холла для обоих режимов потока с помощью сканирующего зонда. Для изучения был взят чрезвычайно чувствительный к локальным электростатическим полям сверхчистый материал на основе одноэлектронного транзистора из углеродных нанотрубок, находящегося при криогенных температурах.

Проводя измерения тока, можно было наблюдать переход между режимами, в одном из которых преобладает электрон-электронное взаимодействие с равномерным течением тока, а в другом электроны перемещаются по привычным пространственным траекториям.

«Как и ожидалось, сначала наблюдалась равномерно распределенная модель течения электронов под воздействием поля Холла через графеновые каналы при низких температурах». «Однако при нагревании материала течение приобретало ярко выраженную параболическую модель, показывая меньшее значение тока около стенок и большее вблизи центра, что указывает на переход к гидродинамическому/пуазейлевскому потоку электронов».

Электронный гидродинамический эффект возникает только при повышенных температурах (в отличие от многих других видов электронных явлений, которые можно наблюдать только при очень низких температурах), и это можно применять при разработке таких устройств, как компьютерные чипы, работающие при комнатной температуре.

«Заглянув в будущее, однажды можно будет разработать принципиально новые типы электронных устройств, напрямую использующих электронную гидродинамику». «Когда электроны взаимодействуют в гидродинамическом потоке, их вязкость приводит к сильно нелокальным пространственным моделям, из которых можно получить выгоду при разработке электронных устройств».

Источник: Physics World

Связанная статья журнала Nature: https://doi.org/10.1038/s41586-019-1788-9