Исследователи открыли вязкое течение электронов в графене

Согласно открытию ученых из Манчестерского университета в Соединенном Королевстве, электроны в графене действуют как совершенно уникальная жидкость.

(Предоставлено: Университет Манчестера)

Впервые было обнаружено, что движение электронной жидкости в графене происходит с двумя различными вязкостями, демонстрируя, что классический эффект Холла – явление, знакомое на протяжении столетия, – не более универсален, чем это считалось.

В исследовании, опубликованном в Science на этой неделе, команда, возглавляемая профессором сэром Андре Геймом и доктором Денисом Бандуриным, описывает, что эффект Холла в графене может быть даже значительно изменен. Эффект был замечен при комнатной температуре, что будет иметь значительные последствия при использовании графена для разработки электронных устройств.

Очень похоже на молекулы в жидкостях и газах, электроны в твердых телах часто имеют тенденцию сталкиваться друг с другом; следовательно, они также могут вести себя как жидкости. Электронные жидкости, подобные этим, идеально подходят для поиска новых свойств материалов, в которых электрон-электронные взаимодействия особенно сильны. Проблема состоит в том, что большинство материалов едва ли были достаточно чистыми, чтобы позволить электронам войти в это ненормальное вязкое состояние. Это связано с тем, что они включают в себя различные примеси, которые могут рассеивать электроны, прежде чем они смогут взаимодействовать друг с другом и организовывать вязкое течение.

Графен лучше всего подходит для экспериментов, так как двумерный углеродный лист является чрезвычайно чистым материалом, состоящим только из нескольких примесей и дефектов, так что электрон-электронные взаимодействия оказываются основным источником рассеяния, приводя к вязкому электронный поток.

В предыдущей работе наша группа обнаружила, что поток электронов в графене может иметь вязкость, которая в 100 раз выше, чем у меда. В этой первой демонстрации гидродинамики электронов мы обнаружили необычные явления, такие как отрицательное сопротивление, водовороты электронов и сверхбаллистический поток .

Д-р Денис Бандурин, Манчестерский университет.

Гораздо более аномальные эффекты возникают при приложении магнитного поля к электронам в графене, когда они находятся в вязком состоянии. Еще раньше теоретики тщательно проанализировали электромагнитную гидродинамику в связи с ее актуальностью для плазмы в нейтронных звездах и в ядерных реакторах. Однако до настоящего времени не было практической экспериментальной системы, доступной для проверки этих предсказаний.

В рамках экспериментов манчестерские ученые разработали графеновые устройства с несколькими датчиками напряжения, расположенными на разных расстояниях от пути электрического тока. Некоторые из них были расположены на расстоянии менее 1 мкм. Гейм и команда продемонстрировали, что, хотя эффект Холла является абсолютно нормальным при оценке на больших макроскопических расстояниях от текущего пути, его величина быстро уменьшается при локальном зондировании, используя контакты Холла, расположенные близко к текущему инжектору.

« Поведение радикально отличается от стандартного учебника физики », – заявил Алексей Бердюгин, аспирант, выполнявший экспериментальную работу. « Мы видим, что если контакты напряжения находятся далеко от токовых контактов, мы измеряем старый, скучный эффект Холла. Но если мы поместим датчики напряжения вблизи точек ввода тока – области, в которой вязкость наиболее резко проявляется как водовороты в потоке электронов, – то мы обнаружим, что эффект Холла сильно уменьшается ».

Изменения потока электронов, вызванные вязкостью, сохраняются даже при комнатной температуре, если графеновые устройства имеют размер менее одного микрона. Поскольку в наши дни этот размер стал обычным делом для электронных устройств, вязкие эффекты важны при изготовлении или изучении графеновых устройств .

Алексей Бердюгин, аспирант, Манчестерский университет.

Source link