Ученые из Новосибирска впервые обнаружили вихри в электронной жидкости
Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН и Новосибирского государственного университета впервые в мире с помощью наномеханического устройства подтвердили, что электроны могут вести себя как жидкость, образуя гидродинамические вихри. Ученые смогли надежно разделить баллистические вихри, где частицы почти не сталкиваются, и гидродинамические, в которых электроны активно взаимодействуют друг с другом. Данная работа поддержана Российским научным фондом, проект № 22-12-00343-Π. Об этом рассказывает Научная Россия.
Предложенный метод является более надежным и простым по сравнению с традиционными способами, такими как сканирующая зондовая микроскопия и SQUID-магнитометрия, которые требуют сложного оборудования.
Это открытие может привести к созданию удобных инструментов для подтверждения электронной гидродинамики без необходимости в дорогостоящих измерениях и откроет новые горизонты для изучения электронно-жидкостных эффектов в графене, а также может быть полезно для усовершенствования нанорезонаторов и наносенсоров.
Детали исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters, где работа была отмечена как одна из лучших (editors suggestion). При отборе учитывались важность темы, интерес для научного сообщества и качество статьи.
Метод обнаружения электронных вихрей и подтверждения их жидкостной природы выглядит простым и элегантным. Ученые поместили электронный вихрь в миниатюрное механическое устройство — наномеханический резонатор, и, применив внешнее магнитное поле, измерили его реакцию на вихрь.
По словам одного из авторов, старшего научного сотрудника Института физики полупроводников, электронная гидродинамика как экспериментальная наука находится на ранних стадиях развития и требует новых методов. Вихри представляют собой микроскопические замкнутые токи, и их обнаружение является сложной задачей. Наносимый метод чувствителен к току, что может помочь в дальнейшем изучении электронной гидродинамики, включая демонстрацию электронной турбулентности.
Для создания нанорезонатора использовались многослойные полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Эти структуры создают тонкий слой с высокой плотностью электронов — двумерный электронный газ.
Наномеханический резонатор представляет собой тонкий круглый «лепесток» с двумерным электронным газом, где и возникает вихрь. Один конец лепестка закреплен, а другой подвешен, что делает его сверхчувствительным к изменениям электрофизических параметров.
Исследователи также изготовили контрольный образец с аналогичным резонатором, но с ограничением для движения электронов, чтобы вихрь не образовывался. В ходе эксперимента ученые сравнили отклики различных образцов на внешнее магнитное поле, что позволило надежно диагностировать электронный вихрь.
В гидродинамическом режиме поток электронов ведет себя как поток воды, что подразумевает наличие вязкости в электронной жидкости. Ученые провели аналогии с рекой и заводью, где вихри могут образовываться в зависимости от направления потока.
Авторы работы смогли наблюдать, как при повышении температуры баллистические вихри сменяются гидродинамическими, и подтвердить зависимость, сравнив с теоретическими моделями. Важным достижением стало то, что вязкость электронной жидкости влияет на поведение наномеханической системы.
Эксперименты проводились при криогенных температурах от минус 269,15 до минус 233,15 градусов Цельсия. Появление гидродинамических вихрей происходило при температуре 19 Кельвин.
Лаборатории, занимающиеся электронной гидродинамикой, могут воспользоваться новым методом, который проще в реализации по сравнению с другими подходами, такими как сканирующая магнитометрия. Для его применения требуется лишь стандартный криостат и коаксиальные кабели, что делает его доступным для многих исследовательских групп.
Успех создания образцов зависит от качества используемого оборудования и материалов, а также от квалификации технолога, занимающегося их изготовлением. Новый метод, вероятно, найдет применение в материалах на основе графена.
Больше новостей и эксклюзивных видео смотрите в канале Самара Онлайн 24 в MAX
Читайте также:
Самарцы могут остаться без корпоратива: где еще остались места для новогодних гуляний
Куда сходить в Самаре, если всё надоело: готовый гид для нескучных выходных
