Ñëó÷àéíàÿ íîâîñòü èç Àðõèâà Ýëåêòðîíû òåêóò ïîäîáíî æèäêîñòè
20.09.2017
 õîäå ñâîèõ ïîñëåäíèõ ýêñïåðèìåíòîâ ó÷åíûå èç Èíñòèòóòà èçó÷åíèÿ ãðàôåíà Ìàí÷åñòåðñêîãî óíèâåðñèòåòà îáíàðóæèëè óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ ýëåêòðîíû, äâèãàþùèåñÿ ïî ãðàôåíó, âåäóò ñåáÿ âåñüìà íåîáû÷íûì ñïîñîáîì. Òàêîå ñïåöèôè÷åñêîå äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ äàåò ó÷åíûì ëó÷øåå ïîíèìàíèå ôèçè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â ýëåêòðîïðîâîäÿùèõ ìàòåðèàëàõ, à â íåäàëåêîì áóäóùåì ýòè ñàìûå ïðîöåññû ìîæíî áóäåò èñïîëüçîâàòü ïðè ðàçðàáîòêå íàíîýëåêòðîííûõ ñõåì áûñòðûõ è âûñîêîýôôåêòèâíûõ êîìïüþòåðíûõ ÷èïîâ ñëåäóþùåãî ïîêîëåíèÿ.
Ó áîëüøèíñòâà ìåòàëëîâ ýëåêòðè÷åñêàÿ ïðîâîäèìîñòü îãðàíè÷åíà êîëè÷åñòâîì äåôåêòîâ èõ êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, êîòîðûå çàñòàâëÿþò ýëåêòðîíû ðàññåèâàòüñÿ, óäàðÿÿñü îá íèõ, ñëîâíî áèëüÿðäíûå øàðû. Ïîýòîìó ãðàôåí, áëàãîäàðÿ åãî "äâóõìåðíîé" ñòðóêòóðå, ïðîâîäèò ýëåêòðè÷åñêèé òîê ãîðàçäî ëó÷øå ëþáîãî ìåòàëëà. Êðîìå òîãî, â íåêîòîðûõ ÷èñòûõ ìåòàëëàõ è äðóãèõ ìàòåðèàëàõ ñ óïîðÿäî÷åííîé êðèñòàëëè÷åñêîé ñòðóêòóðîé, â òîì ÷èñëå è â ãðàôåíå, ýëåêòðîíû ìîãóò áåç ðàññåèâàíèÿ ïðåîäîëåâàòü ðàññòîÿíèÿ, èñ÷èñëÿþùèåñÿ ìèêðîíàìè, çà ñ÷åò òàê íàçûâàåìîãî áàëëèñòè÷åñêîãî äâèæåíèÿ. Ïàðàìåòðû òàêîãî äâèæåíèÿ îïðåäåëÿþò ìàêñèìàëüíî âîçìîæíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ïðîâîäèìîñòü ìàòåðèàëà, êîòîðàÿ íàçûâàåòñÿ ôóíäàìåíòàëüíûì ïðåäåëîì Ëàíäàóýðà (Landauer's fundamental limit).
Îäíàêî, ïîëó÷åííûå â õîäå ýêñïåðèìåíòîâ äàííûå, ïîçâîëèëè ó÷åíûì ñäåëàòü âûâîäû, ÷òî çàêîí, îïðåäåëÿþùèé ôóíäàìåíòàëüíûé ïðåäåë Ëàíäàóýðà, â ñðåäå ãðàôåíà íå ñîáëþäàåòñÿ ïðè îïðåäåëåííûõ óñëîâèÿõ. À íåñåò çà ýòî îòâåòñòâåííîñòü îäèí âåñüìà íåîáû÷íûé ìåõàíèçì, êîòîðûé èìååò íåïîñðåäñòâåííîå îòíîøåíèå ê îòíîñèòåëüíî íîâîé îáëàñòè ôèçèêè, íàçûâàåìîé ýëåêòðîííîé ãèäðîäèíàìèêîé (electron hydrodynamics).
Îáëàñòü ýëåêòðîííîé ãèäðîäèíàìèêè ïîÿâèëàñü â áóêâàëüíî â ïðîøëîì ãîäó ïîñëå òîãî, êàê ó÷åíûå èç Ìàí÷åñòåðñêîãî óíèâåðñèòåòà è äðóãèõ íàó÷íûõ îðãàíèçàöèé ïðîäåìîíñòðèðîâàëè, ÷òî ïðè îïðåäåëåííîé òåìïåðàòóðå ìàòåðèàëà äâèãàþùèåñÿ â íåì ýëåêòðîíû íà÷èíàþò ñòàëêèâàòüñÿ äðóã ñ äðóãîì ñòîëü ÷àñòî, ÷òî ïîòîê ýëåêòðîíîâ íà÷èíàåò òå÷ü, ñëîâíî ïîòîê æèäêîñòè, èìåþùåé íå ñàìûé ìàëåíüêèé êîýôôèöèåíò âÿçêîñòè. À â íîâûõ èññëåäîâàíèÿõ ó÷åíûå ïîêàçàëè, ÷òî íàëè÷èå ýòîé âÿçêîé "ýëåêòðîííîé æèäêîñòè" ïðèäàåò ìàòåðèàëó áîëåå âûñîêóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ïðîâîäèìîñòü, íåæåëè áàëëèñòè÷åñêîå äâèæåíèå ýëåêòðîíîâ.
Îáíàðóæåííîå ó÷åíûìè ÿâëåíèå äîñòàòî÷íî ïàðàäîêñàëüíî. Âåäü ïðè ñòîëêíîâåíèÿõ ýëåêòðîíîâ îíè âçàèìîäåéñòâóþò è ðàññåèâàþòñÿ, ÷òî, ïî èäåå, äîëæíî îñëàáëÿòü ýëåêòðè÷åñêóþ ïðîâîäèìîñòü ìàòåðèàëà. Íî óâåëè÷åíèå ïðîâîäèìîñòè ìàòåðèàëà âîçíèêàåò çà ñ÷åò òîãî, ÷òî ýëåêòðîíû ðàçáèâàþòñÿ íà äâå óñëîâíûå ÷àñòè, ïîäîáíî ïîòîêó âîäû, òåêóùåìó â ðåêå. Òå ýëåêòðîíû, êîòîðûå äâèãàþòñÿ â íåïîñðåäñòâåííîé áëèçîñòè îò ðåáåð êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêè, òåðÿþò ñâîé èìïóëüñ è çàìåäëÿþòñÿ. Íî, îäíîâðåìåííî ñ ýòèì, îíè âûñòóïàþò â êà÷åñòâå çàùèòû, îãðàæäàþùåé îò ñòîëêíîâåíèé ýëåêòðîíû, äâèãàþùèåñÿ â ñåðåäèíå ïîòîêà. È ýòè ýëåêòðîíû äâèæóòñÿ óæå ïî ñâåðõáàëëèñòè÷åñêîé òðàåêòîðèè âíóòðè "êàíàëà", ñîçäàííîãî êðàéíèìè ýëåêòðîíàìè.
"Èç øêîëüíîãî êóðñà ôèçèêè íàì èçâåñòíî, ÷òî ÷åì áåñïîðÿäî÷íåé ñòðóêòóðà ìàòåðèàëà, òåì áîëüøå åãî ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå" - ðàññêàçûâàåò ñýð Àíäðåé Ãåéì, - "Íî â íàøåì ñëó÷àå áåñïîðÿäîê, âûçâàííûé ðàññåèâàíèåì â ðåçóëüòàòå ñòîëêíîâåíèé ýëåêòðîíîâ, óìåíüøàåò, à íå óâåëè÷èâàåò ýëåêòðè÷åñêîå ñîïðîòèâëåíèå ìàòåðèàëà. Ïðè ýòîì, ýëåêòðîíû íà÷èíàþò òå÷ü êàê æèäêîñòü è ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ýòîé æèäêîñòè ïðåâûøàåò ñêîðîñòü äâèæåíèÿ ýëåêòðîíîâ ñ òàêîé æå ýíåðãèåé â âàêóóìå".
Ó÷åíûå ïðîâåëè ðÿä ýêñïåðèìåíòîâ, â êîòîðûõ ïðîâîäèìîñòü ãðàôåíà èçìåðÿëàñü ïðè ðàçëè÷íîé òåìïåðàòóðå. Ñðàâíåíèå ïðîâîäèìîñòè ÷èñòîãî ãðàôåíà è ëåãèðîâàííîãî ãðàôåíà, êîòîðûé îáëàäàåò ÿâíûìè ìåòàëëè÷åñêèìè ïðîâîäíèêîâûìè ñâîéñòâàìè, ïîçâîëèëî ó÷åíûì ñ âûñîêîé òî÷íîñòüþ âû÷èñëèòü íîâóþ ôèçè÷åñêóþ âåëè÷èíó, ïîëó÷èâøóþ íàçâàíèå âÿçêîé ïðîâîäèìîñòè. È ÷òî ÿâëÿåòñÿ ñàìûì ïðèìå÷àòåëüíûì, ñîáðàííûå ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå ïðàêòè÷åñêè ñîâïàëè ñ äàííûìè, ïîëó÷åííûìè â õîäå ðàñ÷åòîâ ñîîòâåòñòâóþùèõ ìàòåìàòè÷åñêèõ ìîäåëåé.
|