Ученые заставили электроны «течь» по графену подобно жидкости

В ходе своих последних экспериментов ученые из Института изучения графена Манчестерского университета обнаружили условия, при которых электроны, двигающиеся по графену, ведут себя весьма необычным способом. Такое специфическое движение электронов дает ученым лучшее понимание физических процессов в электропроводящих материалах, а в недалеком будущем эти самые процессы можно будет использовать при разработке наноэлектронных схем быстрых и высокоэффективных компьютерных чипов следующего поколения.

У большинства металлов электрическая проводимость ограничена количеством дефектов их кристаллической решетки, которые заставляют электроны рассеиваться, ударяясь об них, словно бильярдные шары. Поэтому графен, благодаря его «двухмерной» структуре, проводит электрический ток гораздо лучше любого металла. Кроме того, в некоторых чистых металлах и других материалах с упорядоченной кристаллической структурой, в том числе и в графене, электроны могут без рассеивания преодолевать расстояния, исчисляющиеся микронами, за счет так называемого баллистического движения. Параметры такого движения определяют максимально возможную электрическую проводимость материала, которая называется фундаментальным пределом Ландауэра (Landauer’s fundamental limit).

Однако, полученные в ходе экспериментов данные, позволили ученым сделать выводы, что закон, определяющий фундаментальный предел Ландауэра, в среде графена не соблюдается при определенных условиях. А несет за это ответственность один весьма необычный механизм, который имеет непосредственное отношение к относительно новой области физики, называемой электронной гидродинамикой (electron hydrodynamics).

Область электронной гидродинамики появилась в буквально в прошлом году после того, как ученые из Манчестерского университета и других научных организаций продемонстрировали, что при определенной температуре материала двигающиеся в нем электроны начинают сталкиваться друг с другом столь часто, что поток электронов начинает течь, словно поток жидкости, имеющей не самый маленький коэффициент вязкости. А в новых исследованиях ученые показали, что наличие этой вязкой «электронной жидкости» придает материалу более высокую электрическую проводимость, нежели баллистическое движение электронов.

Обнаруженное учеными явление достаточно парадоксально. Ведь при столкновениях электронов они взаимодействуют и рассеиваются, что, по идее, должно ослаблять электрическую проводимость материала. Но увеличение проводимости материала возникает за счет того, что электроны разбиваются на две условные части, подобно потоку воды, текущему в реке. Те электроны, которые двигаются в непосредственной близости от ребер кристаллической решетки, теряют свой импульс и замедляются. Но, одновременно с этим, они выступают в качестве защиты, ограждающей от столкновений электроны, двигающиеся в середине потока. И эти электроны движутся уже по сверхбаллистической траектории внутри «канала», созданного крайними электронами.

«Из школьного курса физики нам известно, что чем беспорядочней структура материала, тем больше его электрическое сопротивление» — рассказывает сэр Андрей Гейм, — «Но в нашем случае беспорядок, вызванный рассеиванием в результате столкновений электронов, уменьшает, а не увеличивает электрическое сопротивление материала. При этом, электроны начинают течь как жидкость и скорость движения этой жидкости превышает скорость движения электронов с такой же энергией в вакууме».

Ученые из Манчестерского университета провели ряд экспериментов, в которых проводимость графена измерялась при различной температуре. Сравнение проводимости чистого графена и легированного графена, который обладает явными металлическими проводниковыми свойствами, позволило ученым с высокой точностью вычислить новую физическую величину, получившую название вязкой проводимости. И что является самым примечательным, собранные экспериментальные данные практически совпали с данными, полученными в ходе расчетов соответствующих математических моделей.