Електрони течуть подібно до рідини 20.09.2017

У ході своїх останніх експериментів вчені з Інституту вивчення графена Манчестерського університету виявили умови, за яких електрони, що рухаються графеном, поводяться вельми незвичайним способом. Такий специфічний рух електронів дає вченим краще розуміння фізичних процесів в електропровідних матеріалах, а в недалекому майбутньому ці процеси можна буде використовувати при розробці наноелектронних схем швидких і високоефективних комп'ютерних чіпів наступного покоління.

У більшості металів електрична провідність обмежена кількістю дефектів їхньої кристалічної решітки, які змушують електрони розсіюватися, ударяючись про них, наче більярдні кулі. Тому графен, завдяки його "двовимірній" структурі, проводить електричний струм набагато краще за будь-який метал. Крім того, в деяких чистих металах та інших матеріалах з упорядкованою кристалічною структурою, у тому числі і в графені, електрони можуть без розсіювання долати відстані, що обчислюються мікронами, за рахунок так званого балістичного руху. Параметри такого руху визначають максимально можливу електричну провідність матеріалу, що називається фундаментальною межею Ландауера (Landauer's fundamental limit).

Однак, отримані в ході експериментів дані, дозволили вченим зробити висновки, що закон, що визначає фундаментальну межу Ландауера, у середовищі графена не дотримується за певних умов. А несе за це відповідальність один вельми незвичайний механізм, який має безпосереднє відношення до відносно нової галузі фізики, яка називається електронною гідродинамікою (electron hydrodynamics).

Область електронної гідродинаміки з'явилася в буквально минулого року після того, як вчені з Манчестерського університету та інших наукових організацій продемонстрували, що при певній температурі матеріалу електрони, що рухаються в ньому, починають стикатися один з одним настільки часто, що потік електронів починає текти, немов потік рідини, має не найменший коефіцієнт в'язкості. А в нових дослідженнях вчені показали, що наявність цієї в'язкої "електронної рідини" надає матеріалу більш високої електричної провідності, ніж балістичний рух електронів.

Виявлене вченими явище є досить парадоксальним. Адже при зіткненнях електронів вони взаємодіють і розсіюються, що, власне, має послаблювати електричну провідність матеріалу. Але збільшення провідності матеріалу виникає за рахунок того, що електрони розбиваються на дві умовні частини, подібно до потоку води, що тече в річці. Ті електрони, які рухаються в безпосередній близькості від ребер кристалічних грат, втрачають свій імпульс і сповільнюються. Але, одночасно з цим, вони виступають як захист, що захищає від зіткнень електрони, що рухаються в середині потоку. І ці електрони рухаються вже надбалістичною траєкторією всередині "каналу", створеного крайніми електронами.

"Зі шкільного курсу фізики нам відомо, що чим безладніша структура матеріалу, тим більше його електричний опір" - розповідає сер Андрій Гейм, - "Але в нашому випадку безлад, викликаний розсіюванням внаслідок зіткнень електронів, зменшує, а не збільшує електричний опір матеріалу. При цьому електрони починають текти як рідина і швидкість руху цієї рідини перевищує швидкість руху електронів з такою ж енергією у вакуумі.

Вчені провели ряд експериментів, у яких провідність графену вимірювалася за різної температури. Порівняння провідності чистого графену і легованого графену, який має явні металеві провідникові властивості, дозволило вченим з високою точністю обчислити нову фізичну величину, що отримала назву в'язкої провідності. І що найбільш примітним, зібрані експериментальні дані практично збіглися з даними, отриманими в ході розрахунків відповідних математичних моделей.