Физики экспериментально подтвердили вязкое течение электронов в графене
Ученые экспериментально подтвердили теорию жидкоподобного характера движения электронов в графене. Они получили визуализацию движения потока электронов и доказали, что это движение описывается уравнениями гидродинамики. Работа опубликована в журнале Nature.
Ученые давно используют понятие электронной вязкости для теоретического описания движения электронов. Они и раньше полагали, что в определенном режиме (при температуре 50-250 кельвин для графена) электрон-электронное рассеяние может приводить к течениям, напоминающим течение жидкости. Физики подтверждали гипотезу экспериментами по измерению сопротивления таких материалов. Например, сопротивление в электронных «водоворотах» может становиться отрицательным. Однако долгое время им не удавалось найти способ прямого наблюдения за течением электронов.
Группа физиков во главе с Джозефом Сулпизио (Joseph Sulpizio) разработала сверхчувствительный датчик, который способен локально измерять напряжение Холла с достаточной для визуализации точностью. Ученые назвали его одноэлектронным транзистором, этот датчик состоит из сверхчистых углеродных нанотрубок, в которых поле каждого отдельного электрона измеряется электродом. Измерения, которые ученые проводят таким образом, не оказывают влияния на исследуемые электроны. Сенсор отличается хорошим разрешением при высокой чувствительности. Ученые изучали поток электронов в графене — одном слое атомов углерода, организованных в шестиугольную решетку.
Два эксперимента (при температуре 7,5 и 75 кельвин) показали, что в первом случае движение электронов носит баллистический характер, а во втором — характер течения вязкой жидкости. Разница заключается в скорости распространения. В баллистическом режиме все электроны летят с одинаковыми скоростями, а вот в случае вязкого течения скорость возрастает к центру слоя и значительно падает по его краям — точно так же себя ведет жидкость в трубе. Причем речь идет не просто об аналогии, течение электронов в графене действительно описывают уравнения гидродинамики. Теперь ученые знают три варианта движения электронов в материале (диффузное, баллистическое и вязкое) и имеют экспериментальные методики для четкого определения каждого из них.
Этот эксперимент дает ученым возможность с уверенностью применять все методы гидродинамики (а это довольно старая и хорошо развитая теория) к движению потока электронов в определенных условиях. Методика эксперимента и датчик, который разработали ученые, будут полезны и в других исследованиях. Например, при изучении сверхпроводимости.
С обычными жидкостями физики тоже любят экспериментировать. Так, в начале этого года ученые из Франции и Японии впервые закрутили в антиспираль неосцилляторную среду — пленку минерального масла, свободно вытекающего из резервуара, в дне которого были просверлены круглые отверстия.
Олег Макаров
Для этого он снимал на видео и моделировал работу этой игрушки
Американский физик экспериментально и теоретически исследовал вращение нити в стрингшутере — игрушке, в которой небольшие вращающиеся колеса формируют в воздухе стабильные нитевые петли. Построенная ученым модель хорошо объяснила опыт и при этом оказалась достаточно простой, чтобы использовать ее на занятиях по механике. Исследование опубликовано в The Physics Teacher. Стрингшутер (иногда струнный шутер) — это игрушка, представляющая собой длинную замкнутую нить, вращающуюся вдоль своей длины под действием управляющих колесиков или валов подобно лассо. Замечательная особенность стрингшутера в том, что при правильных условиях в воздухе образуется стабильная веревочная петля, по которой можно запускать волны. Этот факт привлек внимание физиков сравнительно недавно и получил удовлетворительное математическое объяснение. Вместе с тем, игрушка могла бы стать хорошим дидактическим материалом при изучении физики, поэтому было бы полезно построить достаточно простую теорию, описывающую петлю, но в то же время объясняющую эксперимент. Сделать это удалось Карлу Мамола (Karl Mamola) из Аппалачского университета. Он записал систему простых уравнений для петли стрингшутера и численно решил их, сравнив результат с вращением нити в настоящей игрушке, а также показал, откуда возникает ее устойчивость. Чтобы двигающаяся петля оставалась в равновесии, необходимо, чтобы была равна нулю не только действующая на нее равнодействующая сила, но и полный момент сил. Особенность игрушки в том, что колеса не создают такого момента, поскольку прилагаемая ими сила имеет нулевое плечо. Аэродинамической подъемной силы в этом случае также не возникает из-за того, что воздушный поток вокруг нити симметричный. Вместо этого воздух создает силу сопротивления, зависящую от скорости. А поскольку модуль скорости постоянен вдоль нити, то таким же свойством обладает и сила сопротивления. Ее интегральное действие на всю петлю формирует момент сил, направленный противоположно гравитационному моменту и обеспечивающий равновесие. С учетом этого факта физик рассмотрел бесконечно малый участок нерастяжимой и абсолютно гибкой нити и записал для него второй закон Ньютона для движения и вращения. Численное интегрирование этих уравнений способно восстановить форму петли, для чего ученому нужны были какие-то конкретные параметры петли. Он взял их из эксперимента с реальной игрушкой, произведенной фирмой LoopLasso, с нитью стрингшутера длиной 3,08 метра и массой 2,72 грамма и диаметром колес 2,7 сантиметра. Боковая фотография нити и ее последующая оцифровка позволили получить координаты участков петли и ее общие параметры: размер, угол запуска и угол возврата. Также физик пометил один из участков нити маркером, что позволило вычислить скорость нити по видео — она составила 7,5 метра в секунду. Автор использовал добытые параметры в моделировании. Единственную неизвестную величину — коэффициент сопротивления — он извлек из подгонки с наилучшим соответствием. Результаты моделирования оказались в хорошем согласии с опытом. Отклонения наблюдались только в области большой кривизны — физик связал это с невыполнением требования абсолютной гибкости. На основе развитой модели он также показал, что момент силы тяжести уравновешивается сопротивлением воздуха вдоль всей нити. Ранее мы рассказывали, как физики объясняют механику других повседневных вещей и явлений: падения бутерброда маслом вниз, живучесть кошек при падении с высоты и переноску чашки с кофе.