В Новосибирске первыми в мире подтвердили жидкостное поведение электронов

Новосибирск, 26 окт - ИА Нефтегаз.РУ. Специалисты Института физики полупроводников им. А. Ржанова Сибирского отделения РАН и Новосибирского государственного университета (НГУ) первыми в мире доказали при помощи наномеханического резонатора, что электроны могут проявлять жидкостные свойства и формировать гидродинамические вихри.
Об этом сообщила пресс-служба Минобрнауки России.

Контекст

В типичном металле ток течёт диффузно: электроны постоянно сталкиваются с дефектами и колебаниями решётки (фононами) и теряют импульс, поэтому есть омическое сопротивление. Но если подобрать условия, где электрон‑электронные столкновения становятся важнее столкновений с решёткой, поток электронов начинает подчиняться уравнениям гидродинамики - как настоящая жидкость.

Тогда для электронов работают понятия вязкости, ламинарного и турбулентного течения, а также могут возникать гидродинамические вихри.

Есть несколько экспериментальных подходов наблюдения вихрей:

• магнитная визуализация тока. С помощью сканирующего СКВИД‑микроскопа или магнитометрии измеряют магнитное поле над образцом и восстанавливают картину тока. В гидродинамическом режиме в боковых полостях появляются вихри, чего не бывает в обычном диффузном течении;
• эффект Гуржи. В вязком режиме сопротивление может уменьшаться с ростом температуры - это контринтуитивно для обычных металлов и служит признаком гидродинамического течения;
• локальные измерения напряжения. В образцах специальной геометрии (например, с «карманами») наблюдают аномальные распределения потенциала, соответствующие вихревым структурам.

Практическая ценность наблюдения вихрей:

• фундаментальная физика: это пример коллективного квантового поведения и перехода к новым режимам транспорта;
• новые эффекты: локальное отрицательное сопротивление, необычные профили тока, турбулентность электронов;
• прикладные перспективы: понимание вязких режимов помогает проектировать сверхчистые материалы и устройства с минимальными потерями, а также развивать методы нанодиагностики.

Исследование

Сибирские ученые для наблюдения вихрей использовали наномеханические резонаторы. Исследователи разместили электронный вихрь в миниатюрном механическом устройстве - наномеханическом резонаторе, после чего приложили внешнее магнитное поле ко всей системе и замерили реакцию вихря на это воздействие.

По данным ученых, предложенный подход отличается большей надежностью и простотой по сравнению с распространенными способами поиска вихрей в электронной жидкости - сканирующей зондовой микроскопией и SQUID-магнитометрией, которые требуют серьезных ресурсов от оборудования.

Для изготовления нанорезонатора применялись многослойные полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия - алюминия-арсенида-галлия. Их вырастили методом молекулярно-лучевой эпитаксии в Институте физики полупроводников. В этих структурах целенаправленно формируется тонкий слой с высокой плотностью электронов - двумерный электронный газ.

Сам наномеханический резонатор выполнен в виде тонкого круглого лепестка; его электронную полость заполняет двумерный электронный газ, в котором и появляется электронный вихрь. Одна сторона лепестка закреплена, другая остается подвешенной.

В итоге создается сверхчувствительный нанорезонатор, совершающий колебания при самых малых изменениях электрофизических параметров, в том числе вызванных электронным вихрем. Формирование электронных жидкостных вихрей зафиксировано при крайне низкой температуре - минус 254°C.

Двумерный электронный газ представляет собой слой носителей заряда, движение которых ограничено в одном направлении. В физике такие системы используют для изучения коллективных эффектов, включая гидродинамическое течение электронов, когда межэлектронные столкновения начинают играть заметную роль. Вихревые структуры считаются одним из характерных признаков такого режима.

Официоз

Новый метод, как ожидается, даст удобный инструмент для подтверждения электронной гидродинамики без дорогостоящих измерений. Кроме того, он расширит возможности изучения электронно-жидкостных эффектов в графене и, вероятно, будет полезен для доработки нанорезонаторов и наносенсоров.

А. Шевырин, старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А. Ржанова СО РАН, отметил, что наномеханический метод может помочь в дальнейших исследованиях электронной гидродинамики, включая такую амбициозную задачу, как демонстрация электронной турбулентности. По его словам, работа фактически впервые объединяет две перспективные области - электронную гидродинамику и наномеханику, и такое сочетание способно дать множество интересных результатов.