Ученые впервые напрямую измерили «жидкий поток» электронов в графене с нанометровым разрешением. Физики из Висконсинского университета в Мадисоне наблюдали, как поток электронов превращается в аналог вязкой жидкости при столкновении с препятствиями внутри проводника. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

Графен — двумерный материал из углерода толщиной в атом, расположенный в виде сот. Он представляет собой чистый электрический проводник, в котором электроны практически не испытывают сопротивления. Для своего эксперимента исследователи добавили в графен препятствия, расположенные на контролируемых расстояниях, а затем подали через него электрический ток.

В исследовании мы показываем, как заряд течет вокруг примеси, и на самом деле видим, как эта примесь блокирует ток и вызывает сопротивление, чего раньше не делали, чтобы различать газообразный и жидкий потоки электронов, – Зак Кребс, аспирант физического факультета Висконсинского университета в Мадисоне и соавтор исследования.

Исследование показало, что при температурах, близких к абсолютному нулю, электроны в графене ведут себя как газ: они перемещаются во всех направлениях и чаще сталкиваются с препятствиями, чем взаимодействуют друг с другом. В этой ситуации сопротивление выше, и поток электронов относительно неэффективен, отмечают авторы работы.

Тепловая карта расположения электронов в графене показывает, что при более низкой температуре (слева) электроны чаще сталкиваются с примесями (кружки), и относительно меньшее их количество проходит через канал между ними. При более высоких температурах (справа) поток электронов становится «жидким», реже застревает в примесях и лучше проходит по каналу. Изображение: University of Wisconsin–Madison

Напротив, при более высоких температурах (около 77 К, или –196 °С) электроны начинают взаимодействовать друг с другом, в результате они начинают двигаться подобно вязкой (ньютоновской) жидкости. Этот процесс напоминает реку, которая обтекает скалу. При этом сопротивление в графене ниже, а поток электронов более эффективен. Физики установили, что вне зависимости от расстояния между препятствиями падение напряжения было намного ниже при температуре 77 К, чем при 4 K.

Результаты этого исследования помогут в разработке новых материалов с низким сопротивлением, считают ученые.