Срочные новости раздела
Физики напрямую увидели электронные вихри

Физики напрямую увидели электронные вихри

Американские и израильские физики впервые напрямую увидели вихри электронной жидкости. Для этого они заставляли ток течь через образцы теллурида вольфрама сложной формы в гидродинамическом режиме.                                   

© A. Aharon-Steinberg et al. / Nature, 2022

Движение электронов по кристаллической решетке в присутствии ускоряющего электрического поля существенно отличается от такового в вакууме. Ключевая особенность — это постоянное рассеяние электронов на неоднородностях решетки, приводящее к потере ими импульса. Превращение энергии движения электронов в энергию колебания решетки приводят к ее омическому нагреву и формирует электрическое сопротивление, с которым человек имеет дело в нормальных условиях.

Однако, если изготовить максимально бездефектный кристалл и понизить его температуру, то на первый план выходят электрон-электронные столкновения, в результате которых импульс не передается решетке. Еще полвека назад физики поняли, что в этом случае поток электронов движется не по омическим, а по гидродинамическим законам. Физики долгое время пытались подтвердить эту гипотезу. Это стало возможным благодаря прогрессу в создании сверхчистых бездефектных монокристаллов, гетероструктур и двумерных пленок.

Поскольку электроны могут быть описаны законами гидродинамики, они должны образовывать вихри и водовороты. Такая турбулентность может проявить себя в виде локального отрицательного сопротивления, что было обнаружено в ряде экспериментов. Однако, одного отрицательного сопротивления недостаточно для доказательства турбулентного движения, поскольку такой эффект может возникать и в другом режиме тока, баллистическом. Поэтому ученые активно ищут способы визуализации электронных вихрей.

Напрямую увидеть это необычное явление удалось группе физиков из Израиля и США под руководством Илая Зельдова (Eli Zeldov) из Института Вейцмана. Для этого они заставляли ток затекать в боковые полости образца и измеряли сопутствующее магнитное поле. Особенностью работы ученых стало то, что они смогли добиться гидродинамического режима в материале со слабым электрон-электронным взаимодействием.

Электрон-электронные столкновения и столкновения с потерей импульса характеризуются своими средними длинами пробега. Соотношение этих параметров и размера проводника определяет то, в каком режиме будет течь ток в нем. В нормальных условиях это происходит в диффузном режиме, когда импульс теряется быстрее, чем электрон сталкивается со стенкой или другим электроном. При очень низких температурах длины пробега становятся настолько большими, что электрон теряет импульс преимущественно в столкновениях со стенками проводника — такая ситуация называется баллистическим режимом. Гидродинамический режим наблюдается в промежуточной ситуации, когда электрон теряет импульс также на стенках, но перед этим успевает многократно столкнутся с другими электронами. В этом случае физики наблюдают уменьшение сопротивление с ростом температуры, известное как эффект Гуржи.

Авторы в своих экспериментах исследовали проводники из теллурида вольфрама, который проявляет свойства вейлевских полуметаллов. Этот материал обладает слишком большой электрон-электронной длинной свободного пробега, однако в нем возникают рассеяния электронов на крупномасштабных шероховатостях поверхности проводника, происходящие под малыми углами и не меняющие их энергию. Этот процесс создает эффективную вязкость, делая похожим распространение тока на течение электронной жидкости.

Чтобы увидеть вихри этой жидкости, физики изготавливали серию образцов, толщиной от 23 до 48 нанометров, в виде полосы с двумя соприкасающимися с ней усеченными окружностями. Ширина полосы была равна 550 нанометрам, радиус окружностей — 900 нанометрам. Ширина контакта между окружностями и полосой была разной у разных образцов и определялась угловой апертурой. Авторы изготавливали также контрольные образцы из золота такой же формы.

В проделанном ими эксперименте ток распространялся вдоль полосы, затекая в окружности. Чтобы понять, как именно это происходит, исследователи измеряли на высоте 50 нанометров над образцом нормальную компоненту магнитного поля с помощью миниатюрного СКВИДа, размещенного на кончике иглы. С помощью математической обработки карты магнитного поля физики восстанавливали пространственные компоненты тока в каждой точке образца и сравнивали результаты с симуляциями.

Эксперименты показали, что при больших углах апертуры, а также во всех золотых образцах течение тока имеет ламинарный характер, то есть токовые линии не образовывали замкнутых кривых, а ток в окружностях в среднем преимущественно был сонаправлен с током в полосе. Но по мере уменьшения угла в окружностях образцов из теллурида вольфрама стали появляться вихри. Таким образом, ученые впервые напрямую увидели вихри электронной жидкости.

Чтобы лучше разобраться в ситуации, физики рассчитывали фазовые диаграммы в виде зависимости противонаправленной части тока от угла апертуры и отношения длины Гуржи (параметр, определяемый свободными пробегами) к ширине полосы для различных режимов скольжения на границе. Во всех случаях была видна граница между режимами с вихрями и без них. Для выбранных параметров она проходила в точке, соответствующей апертурному углу, равному 54 градусам.

При исследовании образца с таким углом физики увидели, что электронные вихри в его окружностях соседствуют с ламинарными токами. Похожу картину они увидели, увеличивая ток, проходящий через образец с углом, равным 35 градусам, до 400 микроампер. Рост тока увеличивает электронную температуру, которая, в свою очередь, уменьшает длину Гуржи. Таким путем ученые смогли пересечь границу на фазовой диаграмме в другой точке. По мнению физиков, сложный характер приграничных вихрей доказывает, что они имеют гидродинамическую, а не баллистическую природу.

Статья опубликована в журнале NatureИсточник: Марат Хамадеев nplus1.ru

Источник: sci-dig.ru

Последние записи - Наука

самые читаемые новости

#Наука

Исследователи из Сколтеха, МГУ, Научно-технологического университета «Сириус» и Института биоорганической химии РАН исследовали роль двух бактериальных генов, которые помогают поддерживать целостность
подробнее...

Исследование ученых из Университета Западного Онтарио показало, что в период зимней спячки колорадские жуки разрушают митохондрии в собственных мышцах, а пробуждаясь, вновь их восстанавливают.
подробнее...

Палеогенетики прочитали самый старый геном домашней лошади из Америки. Им удалось отсеквенировать ДНК из зуба, найденного в испанском городе раннего колониального периода на Гаити. Ученые подтвердили
подробнее...

Группа ученых из Кольского научного центра РАН и Санкт-Петербургского государственного университета открыла новый минерал в якутском месторождении Кестёр в Верхоянском крае, который может стать
подробнее...

Окаменелости плезиозавров, найденные в древнем русле реки в пустыне Сахара позволяют предположить, что некоторые вымершие виды, которые традиционно считались морскими существами, могли обитать и в
подробнее...

Команда исследователей из Сколтеха и Томского политехнического университета применила уникальную технологию, используемую в аэрокосмической промышленности, для синтеза карбида гафния-тантала —
подробнее...

Палеонтолог Ромен Давид (Romain David) из Музея естественной истории в Лондоне выдвинул гипотезу, согласно которой относительный размер полукружных каналов во внутреннем ухе позвоночных зависит от их
подробнее...

Ученые Томского политехнического университета совместно с коллегами из Китая доказали возможность генерации магнитного поля в диэлектриках с низким показателем преломления. К ним относятся стекло,
подробнее...

Китайские физики экспериментально поиграли в квантовую игру Мермина — Переса с помощью гиперзапутанных фотонов. Эта игра представляет собой пример квантовой псевдотелепатии, то есть игры, в которой
подробнее...

Исследователи из Франции разработали инновационного «наноробота» полностью из молекул ДНК. Он поможет тщательнее изучить на микроскопическом уровне механизмы, которые имеют решающее значение для
подробнее...

Израильские физики построили теорию взаимодействия атома с излучением в среде фотонного временного кристалла. Так называют однородный материал, чья диэлектрическая проницаемость периодически меняется
подробнее...

Когда некоторые из магнитных материалов охлаждаются ниже какой-то определенной температуры, происходит нечто интересное. Направления вращения электронов атомов как бы «замораживаются», они застывают,
подробнее...

Согласно теории, далекие транснептуновые объекты ― естественный результат долговременной эволюции Солнечной системы, включающей мигрирующие планеты-гиганты и самогравитирующий планетезимальный диск.
подробнее...

Группа исследователей из Германии и США использует бактериальный биосинтез для производства антибиотика, содержащего фтор, сообщает пресс-служба Франкфуртского университета имени Иоганна Вольфганга
подробнее...

Палеонтолог проанализировал большую выборку черепов динозавров и их родственников и обнаружил, что у большинства видов глазницы были округлыми, но крупные хищники, такие как тираннозавр и аллозавр,
подробнее...

Сотрудники Зоологического музея МГУ и Института биологии развития РАН описали два новых вида голожаберных моллюсков — особой группы морских животных, не имеющих раковины. Один из них назвали в честь
подробнее...

Группа исследователей, в которую вошли ученые из СПбГУ, НМХЦ имени Н. И. Пирогова, Университета Иннополис, БФУ имени Иммануила Канта и сотрудники научно-производственной компании «Иммерсмед», создала
подробнее...

Исследователи из Сколтеха, Исландского университета и Саутгемптонского университета показали, как формируется ранее не наблюдавшийся объект из области квантовой физики, представляющий собой кластер
подробнее...