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

Палеоэнтомологи из России и Польши во главе с Александром Храмовым (Alexander Khramov) из Палеонтологического института РАН исследовали остатки насекомых, обнаруженные в Приуралье в отложениях
подробнее...

Международной группе ученых, в составе которой два астрофизика Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург), удалось приблизиться к разгадке, как рождаются звезды большой массы (в восемь
подробнее...

Команда исследователей из Сколтеха, Высшей школы экономики, МПГУ и НИТУ МИСИС добилась новых успехов в разработке «лаборатории на чипе» — компактного сенсорного прибора для биохимического анализа.  На
подробнее...

Новое исследование, проведенное учеными из университетов Лестера и Манчестера, показывает, что вещество флавинадениндинуклеотид, присутствующее во всех живых клетках, может в достаточно больших
подробнее...

Красноярские ученые изучили поведение света на вилочковых решетках и впервые наблюдали на них проявление эффекта Тальбота. Примечательно, что эффект проявляется совместно с оптическими
подробнее...

Группа ученых-физиков из Гарвардского университета и Северо-Западного университета провела ряд экспериментов, в ходе которых было получено самое точное на сегодняшний день значение магнитного момента
подробнее...

Австралийские ученые модифицировали молекулу миоглобин кашалота, чтобы она могла снабжать кислородом стволовые клетки в гидрогеле, вводимом для репарации тканей в зоне инсульта головного мозга. В
подробнее...

Австрийские физики измерили константу скорости для переноса протона от молекул водорода к анионам дейтерия в режиме квантового туннелирования. Получившееся значение — (5,2 ± 1,6)×10−20 кубического
подробнее...

Ученые ИТМО разработали анализатор вирусных частиц, который позволяет в течение нескольких минут распознать патоген в организме человека. Предложенный метод безопасен, прост и удобен в использовании.
подробнее...

Ученые факультета почвоведения МГУ подтвердили гипотезу о снижении микробиологической активности чернозема под действием хлоридов на фоне внесения азотно-фосфорных удобрений. Длительное
подробнее...

С помощью «ножниц» CRISPR-Cas9 японские ученые удалили у мышей FADS1 и FADS2 – гены, связанные с биполярным расстройством. У мышей, которых можно использовать как модельных животных для изучения этого
подробнее...

Физики теоретически исследовали новый тип среды: анизотропный фотонный временной кристалл. Так они назвали однородную в пространстве среду, чей показатель во времени модулируется периодически, но
подробнее...

Биологи из Женевы и Лозанны смогли увеличить количество новых нейронов у взрослых и даже пожилых мышей, сообщает EurekAlert! со ссылкой на Женевский университет. Ученые обнаружили, что в процессе
подробнее...

Ученые Санкт-Петербургского университета в составе международного коллектива специалистов изучили образцы тихоходок, найденных в Антарктике, Англии и Италии, и обнаружили новое семейство этих
подробнее...

Биоинформатики использовали новые компьютерные технологии для изучения строения хромосом и проверили их на бабочках-бархатницах. Так удалось увидеть необычные следы бурной хромосомной эволюции:
подробнее...

Американские и британские исследователи составили карту всех синаптических связей в мозге личинки плодовой мухи дрозофилы. Это первый полный коннектом мозга насекомого в арсенале науки.
подробнее...

Ученые из Австралийского национального университета Тхань Сон Фам (Thanh-Son Phạm) и Хрвое Ткалчич (Hrvoje Tkalčić), изучая распространение сейсмических волн, обнаружили свидетельства того, что во
подробнее...

Ученые из лаборатории персонализированной химио-лучевой терапии МФТИ сравнили культуру раковых клеток, которая длительно культивировалась, и «свежую» культуру на пригодность для создания вакцины
подробнее...