Vědci poprvé zobrazili elektronový tok v materiálu. Elektronová hydrodynamika by měla najít uplatnění zejména při vývoji nových elektronických součástek.
Pokud voda v řece narazí na nějakou překážku, jako je třeba břeh nebo loď, tok se změní. To samé se děje s elektrony, které tečou pevnou látkou a mezi nimiž je silná interakce. Elektrony vytvářejí prostorové útvary připomínající vodu tekoucí například trubkou.
Za běžných podmínek k tomu dochází jen zřídka, protože elektrony mají tendenci kolidovat spíš s defekty a nečistotami v materiálu než mezi sebou. Pokud je ale materiál velmi čistý a ochlazován na nízkou teplotu, mohou se elektrony pohybovat materiálem bez odchylek, až dosáhnou hrany nebo stěny materiálu. Výsledný balistický transport umožňuje vznik pravidelného rovnoměrného elektronového proudu, protože elektrony se pohybují stejnou rychlostí v blízkosti stěn jako uprostřed materiálu.
Když teplota materiálu stoupne, elektrony mohou začít interagovat a vzájemných srážek bude víc než srážek se stěnami materiálu. V tomto vysoce interaktivním, hydrodynamickém režimu by elektrony měly téct rychleji uprostřed kanálu a pomaleji v blízkosti stěn. Stejně se chová voda, tekoucí korytem potoka nebo řeky.
Už dříve bylo předpovězeno, že elektrony vytvářejí prostorové útvary, ale až dosud se je nikomu nepodařilo zobrazit. Úspěšní teď byli vědci z izraelského Weizmannova institutu věd a z univerzity v Manchesteru, kteří jako první zobrazili základní útvary hydrodynamického elektronového proudu.
Tento parabolický nebo také Poiseuillův proudový profil získali při studiu elektronů tekoucích vodivým grafenovým kanálem, který je sevřen mezi dvěma vrstvami hexagonálního nitridu bóru opatřenými elektrickými kontakty.
Po aplikování elektrického pole produkují elektrony ve směru toku proudu gradient napětí. Problémem je, že tento lokální napěťový gradient je stejný pro hydrodynamický i balistický elektronový proud, a tak nemůže sloužit k rozlišení obou těchto režimů. Fyzici problém vyřešili tak, že na vzorek přiložili slabé magnetické pole. To produkuje další napětí (Hallovo napětí) kolmé ke směru toku proudu. Gradient tohoto napětí se pro balistický a hydrodynamický tok velmi podstatně liší.
Fyzici zobrazili profil Hallova napětí pro oba režimy toku pomocí skenovacího zařízení, které nedávno vyvinuli ve své laboratoři. Toto zařízení, jehož základem je jednoelektronový tranzistor z ultra čisté uhlíkové nanotrubice, je udržováno na velmi nízké teplotě a je velmi citlivé na lokální elektrická pole. Protékající proud tedy vypovídá o lokálním potenciálu na vzorku a napěťovém gradient spojenému s Hallovým napětím.
Měření tohoto proudu umožnilo týmu pozorovat přechod mezi režimy, v nichž převládá buď rozptyl elektron – elektron, nebo ve kterém dominuje balistický profil toku elektronů. Podle předpokladu pozorovali fyzici při nízkých teplotách plochý (horizontální) profil Hallova pole napříč grafenovým kanálem. Při ohřívání se ale profil mění na výrazně parabolický. Vzniká nižší proudový tok v blízkosti stěn a vyšší v blízkosti centra, a to indikuje přechod na hydrodynamický/Poiseuillův proud.
Elektronová hydrodynamika se objevuje při rostoucích teplotách, na rozdíl od mnoha druhů elektronických jevů, které existují pouze při teplotách velmi nízkých. Díky tomu ji bude možné využít v technologických zařízeních, jako jsou počítačové čipy, které pracují při pokojových teplotách. Bude také hrát důležitou roli ve 2D Van der Waalsových grafenových heterostrukturách, zvláště pokud bude tento materiál velmi čistý. Podle vědců je navíc velmi pravděpodobné, že se v budoucnu začnou vyrábět zcela nové druhy elektronických zařízení, které budou elektronovou hydrodynamiku přímo využívat.
Původní práce byla uveřejněna v Nature.
Mohlo by vás zajímat:
Top Ten
fyziky 2019
Proč
led klouže? Nová studie pomůže rozluštit fyzikální hádanku
Magický
úhel v grafenu opět v centru pozornosti
Kvantový
darwinismus v diamantu