Гидродинамический полупроводник, в котором электроны текут, как вода
Обычно вы не хотите смешивать электричество и воду, но электричество, ведущее себя как вода, может улучшить электронные устройства. Недавняя работа группы инженера Джеймса Хоуна из Колумбийского университета и физика-теоретика Шаффика Адама из Национального университета Сингапура и Йельского университета дает новое понимание этого необычного гидродинамического поведения, которое меняет некоторые старые представления о физике металлов. Исследование было опубликовано 15 апреля в журнале Science Advances.
Такое гидродинамическое поведение может привести к созданию более эффективных устройств. Предоставлено: Рина Го/Национальный университет Сингапура.
В своей работе группа изучала поведение нового полупроводника, в котором отрицательно заряженные электроны и положительно заряженные «дырки» одновременно переносят ток. Они обнаружили, что этот ток можно описать всего двумя «гидродинамическими» уравнениями: одно описывает, как электроны и дырки скользят друг относительно друга, а второе — как все заряды движутся вместе через атомную решетку материала.
«Простые формулы обычно означают простую физику», — сказал Хоун, который был поражен, когда постдоктор Адама Дерек Хо построил новую модель, которая бросает вызов предположениям, которые многие физики узнают о металлах в начале своего образования. «Нас всех учили, что в обычном металле все что вам действительно нужно знать, — это то, как электрон отскакивает от различных типов дефектов», — сказал Хоун. «В этой системе базовые модели, о которых мы узнали на наших первых курсах, просто не применимы».
В металлических проводах, по которым течет электрический ток, много движущихся электронов, которые в значительной степени игнорируют друг друга, как пассажиры в переполненном метро. При движении электроны неизбежно сталкиваются либо с физическими дефектами несущего их материала, либо с вибрациями, заставляющими их рассеиваться. Ток замедляется, и энергия теряется. Но в материалах с меньшим количеством электронов эти электроны на самом деле сильно взаимодействуют друг с другом и будут течь вместе, как вода по трубе. Они по-прежнему сталкиваются с теми же несовершенствами, но их поведение совершенно другое: вместо того, чтобы думать об отдельных электронах, случайным образом рассеивающихся, теперь вам нужно рассматривать весь набор электронов (и дырок) вместе, сказал Хоун.
Чтобы экспериментально проверить свою простую новую модель гидродинамической проводимости, команда изучила двухслойный графен — материал, сделанный из листов углерода толщиной в два атома. Доктор философии Хона, студент Ченг Тан измерил электропроводность от комнатной температуры до почти абсолютного нуля, изменяя плотность электронов и дырок. Тан и Хо нашли отличное соответствие между моделью и их результатами. «Поразительно, что экспериментальные данные гораздо лучше согласуются с гидродинамической теорией, чем со старой «стандартной теорией» проводимости», — сказал Хо.
Модель работала, когда материал был настроен таким образом, чтобы можно было включать и выключать проводимость, а гидродинамическое поведение было заметным даже при комнатной температуре. «Действительно примечательно, что двухслойный графен изучался более 15 лет, но до сих пор мы не могли правильно понять его проводимость при комнатной температуре», — сказал Хон, который также является профессором Ван Фонг-Джен и заведующим кафедрой машиностроения в Колумбии Инжиниринг.
Низкоомная проводимость при комнатной температуре может иметь очень практическое применение. Существующие сверхпроводящие материалы, которые проводят электричество без сопротивления, должны быть невероятно холодными. Материалы, способные к гидродинамическому течению, могут помочь исследователям создавать более эффективные электронные устройства, известные как вязкостная электроника, которые не требуют такого интенсивного и дорогого охлаждения.
На более фундаментальном уровне команда подтвердила, что скользящее движение между электронамии дыры не являются специфическими для графена, сказал Адам, доцент кафедры материаловедения и инженерии в Национальном университете Сингапура и отдела науки в Йельском колледже NUS. Поскольку это относительное движение является универсальным, исследователи должны быть в состоянии найти его в других материалах, тем более что совершенствование методов изготовления продолжает давать все более и более чистые образцы, над разработкой которых Hone Lab сосредоточилась в течение последнего десятилетия. В будущем исследователи могут также разработать особую геометрию для дальнейшего повышения производительности устройств, созданных для использования этого уникального коллективного поведения, похожего на воду.
