Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (научная группа доктора физико-математических наук, профессора Артура Григорьевича Погосова) и Новосибирского государственного университета впервые в мире с помощью наномеханического устройства подтвердили, что электроны могут вести себя, как жидкость, и в ней могут образовываться гидродинамические вихри. Ученые надежно разделили вихри баллистические (частицы почти не сталкиваются) и гидродинамические, где электроны часто сталкиваются, взаимодействуют друг с другом. Исследование поддержано Российским научным фондом, проект № 22-12-00343-Π.
Графическое представление обнаружения электронных вихрей. Автор: Андрей Шевырин
Новый способ надежнее и проще тех, что используются обычно для обнаружения вихрей — сканирующей зондовой микроскопии и SQUID-магнитометрии, предъявляющей большие требования к оборудованию.
Открытие позволит разработать удобный инструмент для подтверждения электронной гидродинамики, не прибегая к дорогостоящим измерениям, откроет возможности для исследования электронно-жидкостных эффектов в графене, вероятно, пригодится для усовершенствования нанорезонаторов и наносенсоров.
Детали работы опубликованы в авторитетном журнале Physical Review Letters, публикация отмечена редакцией журнала как одна из лучших работ (editors suggestion). При отборе учитываются важность темы, интерес для сообщества, качество текста статьи.
Способ обнаружения электронных вихрей и подтверждения их гидродинамической (жидкостной) природы выглядит на неискушенный взгляд простым и элегантным. Ученые «поместили» электронный вихрь в очень маленькое механическое устройство — наномеханический резонатор и, приложив внешнее магнитное поле ко всей системе, измерили, как электронный вихрь на него откликается.
«Электронная гидродинамика как экспериментальная наука очень молода. И она отчаянно требует новых методов: межэлектронные соударения сохраняют общий импульс системы, и поэтому “увидеть” их, измеряя ток, не простая, хотя, как показано в нашей же недавней работе, решаемая задача. А вихрь — это микроскопический замкнутый ток, поэтому задача его обнаружения ещё сложнее. Не существует “прямого” амперметра, который можно было бы вставить в замкнутую токовую петлю такого малого размера. Поэтому измерения электронного транспорта базируются на измерении напряжения, которое как раз можно зафиксировать локально.
Мы же предлагаем наномеханический метод, который чувствителен именно к току, а не напряжению. Он может быть полезен для дальнейшего изучения электронной гидродинамики, в том числе для таких амбиционных целей, как демонстрация электронной турбулентности. Фактически мы впервые сводим воедино две интересные области – электронную гидродинамику и наномеханику. Думаю, этот союз может привести ко множеству интересных результатов», — подчеркивает первый автор публикации, старший научный сотрудник Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Анатольевич Шевырин.
Как сделать резонатор в пятьсот раз тоньше человеческого волоса?
Для создания нанорезонатора использовались многослойные полупроводниковые структуры на основе арсенида галлия – алюминия-арсенида-галлия, выращенные методом молекулярно-лучевой эпитаксии в Институте физики полупроводников. В таких структурах специально создается тонкий слой с высокой плотностью электронов — двумерный электронный газ.
Наномеханический резонатор — тонкий круглый «лепесток» с двумерным электронным газом, заполняющим электронную полость-каверну, где и возникает электронный вихрь. С одного конца «лепесток» закреплен, а с другого — подвешен: под ним удален, вытравлен жертвенный слой. Получается сверхчувствительный нанорезонатор, который колеблется при мельчайших изменениях электрофизических параметров, например, вызванных электронным вихрем.
«Вихрь — это замкнутый циркулирующий ток, поэтому он создает магнитный момент. Если объект, обладающий магнитным моментом, поместить во внешнее магнитное поле, он будет стремиться развернуться так, чтобы магнитный момент был ориентирован по полю. То же самое делает стрелка компаса. В нашем случае роль такой стрелки — механического объекта — играет резонатор. Отличие нашего резонатора от стрелки заключается в том, что стрелка намагничена статически, а у нас магнитный момент создаётся токовым вихрем, направление вращения которого мы можем изменить практически мгновенно. В зависимости от направления вращения резонатор стремится развернуться или в одну, или в другую сторону. Если менять направление вращения вихря на собственной частоте системы, возбуждаются резонансные механические колебания», — поясняет Андрей Шевырин.
Электронные реки
Исследователи изготовили и контрольный образец — тоже с наномеханическим резонатором и круглой полостью, но в ней протравили еще прямую «траншею» для ограничения движения электронов, чтобы вихрь не возникал. Проводя эксперимент, ученые сравнивали, как откликаются разные типы образцов на внешнее магнитное поле, — упрощенно говоря, отклики были противоположны. Таким образом, надежно диагностировался электронный вихрь.
«В гидродинамическом режиме поток электронов похож на поток воды. Это значит, что помимо электрического поля, заряженные частицы могут увлекаться соседними слоями: электронная жидкость обладает вязкостью. Если проводить аналогию с водой, наша система похожа на широкую реку, к которой прилегает круглая заводь. Река течет, толкает жидкость в заводи, и в ней образуется большой замкнутый водоворот. При этом вблизи берега заводи течение воды противоположно общему потоку в реке. Если течение реки развернуть, то вихрь будет закручиваться в противоположную сторону.
В нашем случае роль реки играет прямой проводящий канал двумерного электронного газа, а роль заводи – круглая литографически созданная каверна диаметром 6 микрон. Река течёт в объемном массиве полупроводника, а каверна существует в подвешенном круглом плоском резонаторе-кантилевере толщиной 166 нанометров, крепящемся “к реке”, со свободно висящим круглым ″берегом″. Если поместить эту систему во внешнее магнитное поле, то на ток вблизи подвешенного берега будет действовать сила Лоренца, причём действовать очень эффективно, поскольку речь идёт о свободном крае резонатора. Таким образом, как механический объект наша система оказывается чрезвычайно чувствительна к тому, что происходит “у берега”.
Мы генерируем переменный ток в канале, ток в канале создает вихрь, из-за магнитного поля вихрь раскачивает колебания резонатора.
Как сделать так, чтобы вихрь в заводи не образовывался? Можно перегородить всю реку и часть заводи плотиной, оставив течению лишь узкий канал вблизи берега заводи. В этом узком оставшемся сужении вода будет течь в том же направлении, что и вся река. Если же “плотины” нет, но есть вихрь, прибрежное течение противоположно общему потоку. Возвращаясь к резонаторам, мы создали образцы “с плотиной" и без неё — и увидели, что в магнитном поле они колеблются в противофазе. Именно это доказывает, что вихрь в нашей электронной системе существует», — добавляет исследователь.
Авторы работы смогли пронаблюдать, как при повышении температуры баллистические вихри сменяются гидродинамическими, и надежно подтвердить зависимость, сравнив с теоретическими моделями.
Важное достижение ученых в том, что они показали: вязкость электронной жидкости напрямую влияет на поведение наномеханической системы. Ранее вязкость рассматривалась только как фактор для описания электронного транспорта. А связь между электронной гидродинамикой и наномеханикой не устанавливалась.
Отметим, что эксперимент и все измерения проводились при очень низких, криогенных температурах — от минус 269,15 градуса Цельсия (4 Кельвина) до минус 233,15 градуса Цельсия (40 Кельвин). Самый любопытный этап — появление электронных жидкостных (гидродинамических) вихрей — происходил при относительно повышенных температурах: 19 Кельвин (минус 254 градуса Цельсия). Но для привычных бытовых условий это, конечно, очень низкие температуры.
Кому пригодится новый метод в первую очередь?
Лаборатории, чья тематика связана с электронной гидродинамикой, могут взять на вооружение новый метод, предложенный учеными ИФП СО РАН. Среди альтернативных подходов к детектированию вихрей выделяется сканирующая магнитометрия. Однако для его реализации нужно сложное и дорогое оборудование – сканирующий магнитометр с высоким, вплоть до нанометров, пространственным разрешением. Способ определения электронных вихрей с помощью наномеханического резонатора проще концептуально, не требует сложного оборудования, но критичен к качеству образцов.
«Для наших измерений достаточно обычного криостата с вакуумным объемом и коаксиальными кабелями. При этом наши образцы — наноэлектромеханические системы — сложнее в изготовлении, чем обычные электронные системы, вмурованные в массив полупроводника. Но для нас изготовление таких образцов проще, а их изучение интереснее, чем покупка магнитометра. Думаю, многие другие лаборатории находятся в похожем положении, поэтому новый метод может оказаться полезен», — отмечает Андрей Шевырин.
Ученый добавляет, что успех создания образцов сильно зависит от оборудования, расходных материалов и от технолога, выращивающего многослойные структуры:
«Асхат Климович Бакаров — соавтор статьи, старший научный сотрудник ИФП СО РАН — растит очень хороший двумерный электронный газ, не у каждого исследователя есть доступ к структурам такого качества. Следующие технологические этапы — оптическую, электронную литографию, химическую обработку, сверхкритическую сушку — при неограниченном доступе к оборудованию опытный экспериментатор может осуществить за неделю. Такие оценки я привожу на основе своего опыта. Неделя — это небольшой срок, но создание образцов в первый раз, конечно, потребует больше времени».
Нужно добавить, что хорошо зарекомендовавшая себя платформа для исследования электронной жидкости при комнатных температурах — это графен. Поэтому новый метод обнаружения и исследования электронных вихрей, скорее всего, найдет свое применение в материалах на основе графена.
Информация и иллюстрация предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН
Автор иллюстрации: Андрей Шевырин
