Наука и технологии России

Вход Регистрация

Графен и электроны против закона Ома

Ток – это движение заряженных частиц, например, электронов, которые текут от отрицательного полюса к положительному. Иначе говоря, измерив напряжение в разных участках обычного проводника, мы всегда можем точно сказать, в какую сторону будут двигаться в нем электроны, а в какую – положительно заряженные дырки. Но с графеном все не так.

В одноатомном слое углерода, сложенном правильными и плоскими шестиугольниками, проявляются самые необычные свойства.

Графен

Графен демонстрирует невероятную механическую прочность и высочайшую теплопроводность, а электроны в нем могут течь «вопреки» закону Ома, так, будто сопротивление материала стало отрицательным. Такое поведение электронов напоминает не столько обычный ток, сколько вязкую жидкость.

Эти необыкновенные свойства «графенового электричества» предсказывает новая работа, которую публикует журнал Nature Physics. Мы поговорили с одним из ее соавторов, сотрудником московского Института Проблем передачи информации Григорием Фальковичем.

Вы пишете об «отрицательном сопротивлении» графена – можно ли разъяснить эту необычную формулировку?

– В этой формулировке пропущено важное слово – мы говорим о «нелокальном отрицательном сопротивлении». И тогда все можно объяснить. Представьте, что у вас есть полоска графена, к верхней и нижней границам которого присоединены контакты, подающие ток. Назовем их точками 1 и 2. Теперь мы берем две другие точки, в стороне от 1 и 2 – пусть это будут точки 3 и 4 – и измеряем напряжение между ними. Иначе говоря, через две точки течет ток, а через две другие мы меряем напряжение. А потом смотрим, как они связаны.

Обычно мы ожидаем, что если напряжение положительное, то и ток положительный, дырки текут от меньшего к большему, а электроны наоборот. Так происходит в обычных проводниках, в соответствии с законом Ома. Так оно будет и с графеном и некоторыми другими материалами, если 1 и 2 совпадают с 3 и 4. Но если 3 и 4 расположены в стороне, то знак напряжения на них может быть противоположным. Так, будто ток течет в обратном направлении.

Отчего это происходит?

– Движение электронов в обычных проводниках подчиняется закону Ома. Они практически не взаимодействуют друг с другом: они летят под действием электромагнитного поля, врезаются в атомы, меняют траекторию, снова вовлекаются полем... То есть, главным «ограничителем» их движения выступают атомы кристаллической решетки проводника.

В графене, по-видимому, существуют особые режимы, при которых электроны текут совершенно иначе. Они начинают взаимодействовать друг с другом – настолько сильно, что столкновения между ними оказывают на их движение намного большее влияние, чем столкновения с атомами. Их течение близко к вязкой жидкости: начавшие движение электроны вовлекают за собой соседние.

Это можно представить на примере сосуда с парой отверстий по бокам. Если через одно мы будем закачивать воду, а через другое она будет вытекать, то в такой жидкости возникнут возвратные завихрения. То же и в графене. Если отвлечься от формул, то механизм довольно простой, и для меня, как для гидродинамика, весьма интересно, что принципы этой старейшей области физики оказались применимы в такой новой сфере.

В чем же могут состоять особенности графена, благодаря которым электроны в нем текут как вязкая жидкость?

– Это, прежде всего, связано с очень высоким качеством кристаллической решетки, которое сохраняется даже при вполне нормальных температурах. Электроны в ней текут, как бы по открытым и ровным дорогам, густыми потоками, так что начинают «тереться» друг о друга – это и есть вязкий режим течения. Такое поведение возможно не только в графене, но и в других материалах, обладающих очень хорошей решеткой без дефектов.

В обычных же проводниках решетка совсем не так упорядочена, и электроны непрерывно сталкиваются с атомами, двигаются, как по очень ухабистой дороге. Это металлические проводники, и это закон Ома. Но в графене электроны в графене ведут себя, как безмассовые релятивистские частицы. Это и приводит к появлению самых необычных эффектов.

Варьируя количество электронов и дырок в графене, можно добиваться разных режимов для проявления разных  свойств. Попытки найти режимы, при которых в графене течет эта вязкая «электронная жидкость», предпринимаются достаточно давно. И в этом как раз суть нашей идеи: сделать это можно, регистрируя ток в дополнительных точках и наблюдая, подчиняется ли его течение закону Ома.

Надо сказать, что параллельно нашей статье выходят сразу две публикации, включая работу манчестерской группы Андрея Гейма, которой удалось наблюдать эффекты, весьма похожие на те, что мы описали теоретически – то есть, отрицательное сопротивление. Мы все работали независимо, и хотя их данные могут объясняться и другими причинами, возможно, что в основе этого лежит предложенный нами механизм.

Исследования этих вязких завихрений тока в графене могут иметь какие-то перспективы дальнейшего использования? В науке – а может быть, и в новых технологиях?

– Ну конечно! С точки зрения науки это интересно хотя бы приложением гидродинамики к новой области физики. Ведь, в конце концов, это часть механики, это одна из старейших областей науки, на которую во многом опирается наша физическая интуиция. Мы хорошо оперируем силами, движением, течениями – релятивистское поведение нам представить намного сложнее. Но если мы сможем использовать для этого привычные механические, гидродинамические модели и представления, это сильно облегчит исследования. Это значит, что многие прекрасно изученные явления можно будет попробовать воссоздать на микроуровне.

Например, если мы лучше разберемся с течением вязкой «электронной жидкости» в графене, мы получим возможность нелокально воздействовать на это течение. Ведь чтобы создать в какой-то точке ток, нам нужно создать в нем электрическое поле. Но если мы будем манипулировать движением электронов, как течением вязкой жидкости, мы сможем сделать это за счет «трения» между ними, в стороне от самого поля. Это открывает пока неясные, но совершенно потрясающие перспективы для нового этапа развития электроники.

РЕЙТИНГ

4.54
голосов: 13

Обсуждение

Новости

Учёные выяснили, что хуже – одиночество или курение

Алтайские петроглифы запечатлели охоту снежных барсов на козерогов

Гормон сна подавляет рак молочной железы

Нейрофизиологи открыли способ самоочистки мозга при болезни Альцгеймера

В США пациента вывели из комы с помощью ультразвука

Обнаружена братская могила защитников первой русской крепости на Амуре

Кстати,
на
52%
сократились...
Водный форум БРИКС Tech in Media