Физики напрямую увидели электронные вихри

Американские и израильские физики впервые напрямую увидели вихри электронной жидкости. Для этого они заставляли ток течь через образцы теллурида вольфрама сложной формы в гидродинамическом режиме. Исследование опубликовано в Nature.

Движение электронов по кристаллической решетке в присутствии ускоряющего электрического поля существенно отличается от такового в вакууме. Ключевая особенность — это постоянное рассеяние электронов на неоднородностях решетки, приводящее к потере ими импульса. Превращение энергии движения электронов в энергию колебания решетки приводят к ее омическому нагреву и формирует электрическое сопротивление, с которым человек имеет дело в нормальных условиях.

Однако, если изготовить максимально бездефектный кристалл и понизить его температуру, то на первый план выходят электрон-электронные столкновения, в результате которых импульс не передается решетке. Еще полвека назад физики поняли, что в этом случае поток электронов движется не по омическим, а по гидродинамическим законам. Физики долгое время пытались подтвердить эту гипотезу. Это стало возможным благодаря прогрессу в создании сверхчистых бездефектных монокристаллов, гетероструктур и двумерных пленок.

Поскольку электроны могут быть описаны законами гидродинамики, они должны образовывать вихри и водовороты. Такая турбулентность может проявить себя в виде локального отрицательного сопротивления, что было обнаружено в ряде экспериментов. Однако, одного отрицательного сопротивления недостаточно для доказательства турбулентного движения, поскольку такой эффект может возникать и в другом режиме тока, баллистическом. Поэтому ученые активно ищут способы визуализации электронных вихрей.

Напрямую увидеть это необычное явление удалось группе физиков из Израиля и США под руководством Илая Зельдова (Eli Zeldov) из Института Вейцмана. Для этого они заставляли ток затекать в боковые полости образца и измеряли сопутствующее магнитное поле. Особенностью работы ученых стало то, что они смогли добиться гидродинамического режима в материале со слабым электрон-электронным взаимодействием.

Электрон-электронные столкновения и столкновения с потерей импульса характеризуются своими средними длинами пробега. Соотношение этих параметров и размера проводника определяет то, в каком режиме будет течь ток в нем. В нормальных условиях это происходит в диффузном режиме, когда импульс теряется быстрее, чем электрон сталкивается со стенкой или другим электроном. При очень низких температурах длины пробега становятся настолько большими, что электрон теряет импульс преимущественно в столкновениях со стенками проводника — такая ситуация называется баллистическим режимом. Гидродинамический режим наблюдается в промежуточной ситуации, когда электрон теряет импульс также на стенках, но перед этим успевает многократно столкнутся с другими электронами. В этом случае физики наблюдают уменьшение сопротивление с ростом температуры, известное как эффект Гуржи.

Авторы в своих экспериментах исследовали проводники из теллурида вольфрама, который проявляет свойства вейлевских полуметаллов. Этот материал обладает слишком большой электрон-электронной длиной свободного пробега, однако в нем возникают рассеяния электронов на крупномасштабных шероховатостях поверхности проводника, происходящие под малыми углами и не меняющие их энергию. Этот процесс создает эффективную вязкость, делая похожим распространение тока на течение электронной жидкости.

Чтобы увидеть вихри этой жидкости, физики изготавливали серию образцов, толщиной от 23 до 48 нанометров, в виде полосы с двумя соприкасающимися с ней усеченными окружностями. Ширина полосы была равна 550 нанометрам, радиус окружностей — 900 нанометрам. Ширина контакта между окружностями и полосой была разной у разных образцов и определялась угловой апертурой. Авторы изготавливали также контрольные образцы из золота такой же формы.

В проделанном ими эксперименте ток распространялся вдоль полосы, затекая в окружности. Чтобы понять, как именно это происходит, исследователи измеряли на высоте 50 нанометров над образцом нормальную компоненту магнитного поля с помощью миниатюрного СКВИДа, размещенного на кончике иглы. С помощью математической обработки карты магнитного поля физики восстанавливали пространственные компоненты тока в каждой точке образца и сравнивали результаты с симуляциями.

Эксперименты показали, что при больших углах апертуры, а также во всех золотых образцах течение тока имеет ламинарный характер, то есть токовые линии не образовывали замкнутых кривых, а ток в окружностях в среднем преимущественно был сонаправлен с током в полосе. Но по мере уменьшения угла в окружностях образцов из теллурида вольфрама стали появляться вихри. Таким образом, ученые впервые напрямую увидели вихри электронной жидкости.

Чтобы лучше разобраться в ситуации, физики рассчитывали фазовые диаграммы в виде зависимости противонаправленной части тока от угла апертуры и отношения длины Гуржи (параметр, определяемый свободными пробегами) к ширине полосы для различных режимов скольжения на границе. Во всех случаях была видна граница между режимами с вихрями и без них. Для выбранных параметров она проходила в точке, соответствующей апертурному углу, равному 54 градусам.

При исследовании образца с таким углом физики увидели, что электронные вихри в его окружностях соседствуют с ламинарными токами. Похожую картину они увидели, увеличивая ток, проходящий через образец с углом, равным 35 градусам, до 400 микроампер. Рост тока увеличивает электронную температуру, которая, в свою очередь, уменьшает длину Гуржи. Таким путем ученые смогли пересечь границу на фазовой диаграмме в другой точке. По мнению физиков, сложный характер приграничных вихрей доказывает, что они имеют гидродинамическую, а не баллистическую природу.

Обычная жидкость может затвердеть в аморфной или кристаллической фазе. Электронная жидкость тоже на такое способна. Мы уже рассказывали про то, как физики увидели образование электронного стекла и электронного кристалла.

Марат Хамадеев