Сибирские ученые первыми в мире обнаружили вихри в электронной жидкости

Исследователи из Института физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН 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.

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.

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.

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 первый автор публикации, старший научный сотрудник Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН кандидат физико-математических наук Андрей Шевырин.

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.

Лаборатории, чья тематика, связана с электронной гидродинамикой, могут взять на вооружение новый метод, предложенный учеными ИФП СО РАН.  «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. 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.