Текст уведомления здесь

«Электронный кисель» позволил добиться необычного физического эффекта

Движение электронов может описываться как течение вязкой жидкости, при этом в материалах возникают специфические и совершенно неожиданные явления, например рост проводимости при увеличении температуры.
Добавить в закладки
Комментарии

Международная группа ученых, возглавляемая нобелевским лауреатом Андреем Геймом, показала, что необычный механизм переноса электронов в проводниках в виде вязкой электронной жидкости способен обеспечить неожиданный результат — рост проводимости при увеличении температуры. Для подавляющего большинства проводников ситуация прямо противоположная — с ростом температуры их проводимость снижается. Результаты работы открывают новые перспективы для разработки электроники, основанной на графене.

Традиционная задача при выборе материала для проводников — минимально возможные потери на сопротивление. Особую актуальность она получила после появления электроники, ведь чем слабее потери в проводнике, тем миниатюрнее можно сделать электронные компоненты и тем меньше тепла от них придется отводить. Самый известный метод радикального снижения сопротивления — сверхпроводимость, когда электроны движутся в куперовских парах. Однако она требует значительного охлаждения, а относительно высокотемпературные сверхпроводники слабо устойчивы к сильным магнитным полям. Все эти факторы до сих пор сильно затрудняют массовое использование устройств на сверхпроводниках.

Другой возможный метод — создание в материале движения электронов, близкого к баллистическому. Его так называют по аналогии с баллистическими задачами, в которых снаряд (в данном случае электрон) летит через пустоту, по оптимальной траектории, не сталкиваясь с дефектами кристаллической решетки. Сделав проводник почти бездефектным (как хлопья графена), электроны можно заставить «летать» на большие расстояния без рассеяния.

Ранее считалось, что именно это — оптимальная траектория и чем ближе движение электронов в проводнике к баллистическому, тем лучше. В последние годы стало ясно, что возможен еще один вариант получения низкого сопротивления — «вязкая электронная жидкость». Эту идею подробно разработал физик-теоретик Григорий Фалькович из Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича (ИППИ РАН) и Института Вейцмана (Израиль), который вошел и в состав авторов новой работы.

Обычно электроны взаимодействуют друг с другом как газ. Для образования вязкой электронной жидкости они должны вести себя совершенно иначе— очень часто сталкиваться друг с другом, как ньютоновская жидкость. На первый взгляд постоянные столкновения должны поднимать сопротивление материала, однако, как показал ряд работ Григория Фальковича в соавторстве с другими физиками, на деле вязкая электронная жидкость может «обтекать» дефекты кристаллической решетки, не давая отдельным электронам сталкиваться с ними.

В новой работе ученые исследовали поведение вязкой электронной жидкости в проводящих фрагментах из узких пластин графена, по краям которых были организованы точечные контакты (контакт предельно малых размеров, в эксперименте — не более микрометра). Рядом с ними замерялось напряжение тока на графене. Отдельный участок пластины двумерного углерода физики оставили свободным от точечных контактов. Такая экспериментальная система была создана лишь с одной целью — заставить электроны теснее взаимодействовать друг с другом — сталкиваться, образуя ньютоновскую жидкость.

Авторы работы измерили сопротивление на точечных контактах при разных температурах и обнаружили, что оно менялось нелинейно: до 150 кельвинов оно падало и лишь затем снова начало расти. В точечных контактах размером менее 0,8 микрометра эта закономерность наблюдалась для всех температур ниже 150К. А для чуть более широких контактов — только в диапазоне 100−150К. Это крайне необычное явление для вещества с хорошей проводимостью, ведь чем ниже температура (и, соответственно, хаотические колебания электронов в материале), тем меньше помех на пути электронов в обычных проводниках, а значит, слабее их сопротивление. Обычно с нагревом проводимость растет лишь в диэлектриках, где поведение электронов принципиально иное, отчего проводимость слишком низка.

Новые экспериментальные данные демонстрируют характерную и предсказанную ранее теоретически особенность вязких электронных жидкостей: их поведение больше обусловлено именно самой спецификой «жидкости». Пока температура не поднимется до определенного значения, «обтекание» дефектов в кристаллической решетке не может достичь оптимального уровня. «Потоки» жидкости не могут защитить отдельные электроны от потери момента при столкновении с дефектами. Соответственно, нагрев — до конкретной, пороговой величины — активизирует «потоки» внутри такой «жидкости» и, следовательно, поднимает проводимость использованных в эксперименте точечных контактов.

Авторы работы отмечают, что потенциально «сверхбаллистические» траектории движения электронов в вязких электронных жидкостях могут быть полезны для создания электроники на основе графена. Сопротивление в нем так мало, что на его основе можно делать высокопроизводительные устройства с минимальными потребностями в теплоотводе. Впрочем, на данном этапе речь идет об изучении фундаментальных особенностей поведения вязкой электронной жидкости в графене — практическое приложение здесь, скорее, дело будущего.

Соответствующая статья опубликована в Nature Physics. Препринт имеется в распоряжении редакции.

Ранее российские физики разделили магнитные вихри на «коллективистов» и «единоличников».

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы