Ученые экспериментально подтвердили теорию жидкоподобного характера движения электронов в графене. Они получили визуализацию движения потока электронов и доказали, что это движение описывается уравнениями гидродинамики. Работа опубликована в журнале Nature.

Ученые давно используют понятие электронной вязкости для теоретического описания движения электронов. Они и раньше полагали, что в определенном режиме (при температуре 50–250 кельвин для графена) электрон-электронное рассеяние может приводить к течениям, напоминающим течение жидкости. Физики подтверждали гипотезу экспериментами по измерению сопротивления таких материалов. Например, сопротивление в электронных «водоворотах» может становиться отрицательным. Однако долгое время им не удавалось найти способ прямого наблюдения за течением электронов.

Группа физиков во главе с Джозефом Сулпизио (Joseph Sulpizio) разработала сверхчувствительный датчик, который способен локально измерять напряжение Холла с достаточной для визуализации точностью. Ученые назвали его одноэлектронным транзистором, этот датчик состоит из сверхчистых карбоновых нанотрубок, в которых поле каждого отдельного электрона измеряется электродом. Измерения, которые ученые проводят таким образом, не оказывают влияния на исследуемые электроны. Сенсор отличается хорошим разрешением при высокой чувствительности. Ученые изучали поток электронов в графене — одном слое атомов углерода, организованных в шестиугольную решетку.

Два эксперимента (при температуре 7,5 и 75 кельвин) показали, что в первом случае движение электронов носит баллистический характер, а во втором — характер течения вязкой жидкости. Разница заключается в скорости распространения. В баллистическом режиме все электроны летят с одинаковыми скоростями, а вот в случае вязкого течения скорость возрастает к центру слоя и значительно падает по его краям — точно так же себя ведет жидкость в трубе. Причем речь идет не просто об аналогии, течение электронов в графене действительно описывают уравнения гидродинамики. Теперь ученые знают три варианта движения электронов в материале (диффузное, баллистическое и вязкое) и имеют экспериментальные методики для четкого определения каждого из них.

Этот эксперимент дает ученым возможность с уверенностью применять все методы гидродинамики (а это довольно старая и хорошо развитая теория) к движению потока электронов в определенных условиях. Методика эксперимента и датчик, который разработали ученые, будут полезны и в других исследованиях. Например, при изучении сверхпроводимости.