Учёные наблюдали вихри электронной жидкости с помощью наномеханического резонатора

Новосибирские учёные из ИФП СО РАН и НГУ показали: электронные вихри можно зафиксировать по колебаниям крошечного резонатора. Это проще методов, для которых нужно дорогое оборудование.

Учёные Института физики полупроводников имени А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) и Новосибирского государственного университета впервые в мире с помощью наномеханического устройства подтвердили: электроны могут вести себя как жидкость и образовывать в ней гидродинамические вихри. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Работу вела научная группа доктора физико-математических наук, профессора Артура Погосова; первый автор — старший научный сотрудник ИФП СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Шевырин.

Вихри бывают двух типов. В баллистическом режиме частицы почти не сталкиваются, в гидродинамическом электроны часто сталкиваются и взаимодействуют друг с другом. Учёным удалось надёжно разделить эти два режима. Наблюдать вихри трудно: это микроскопический замкнутый ток, а прямого амперметра для такой петли не существует. Поэтому измерения электронного транспорта обычно опираются на напряжение. Для поиска вихрей применяют сканирующую зондовую микроскопию и SQUID-магнитометрию, которые требуют сложного и дорогого оборудования.

Метод работает так. Вихрь помещают в наномеханический резонатор, а ко всей системе прикладывают внешнее магнитное поле. Резонатор — тонкий круглый «лепесток» толщиной 166 нанометров с двумерным электронным газом. Один его конец закреплён, другой подвешен: под ним вытравлен жертвенный слой. Круглая каверна диаметром 6 микрон, где возникает вихрь, связана с каналом, по которому течёт ток. Вихрь создаёт магнитный момент, и резонатор, как стрелка компаса, стремится развернуться по полю. Направление вращения вихря можно менять почти мгновенно. Если менять его на собственной частоте системы, возникают резонансные механические колебания.

Структуры выращены методом молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН из многослойных полупроводниковых структур на основе арсенида галлия и алюминия-арсенида-галлия. В них создан тонкий слой с высокой плотностью электронов — двумерный электронный газ. Асхат Бакаров, соавтор статьи и старший научный сотрудник ИФП СО РАН, растит очень хороший двумерный электронный газ.

Для проверки исследователи сделали контрольный образец с такой же круглой полостью, но с прямой траншеей, которая не даёт вихрю возникнуть. Образцы с «плотиной» и без неё в магнитном поле колеблются в противофазе. По словам Шевырина, это доказывает, что вихрь в системе существует. Эксперимент проводили при криогенных температурах от −269,15 °C (4 К) до −233,15 °C (40 К). Гидродинамические вихри появились при 19 К (−254 °C). Для бытовых условий это очень низкие температуры. При повышении температуры баллистические вихри сменяются гидродинамическими; зависимость учёные сверили с теоретическими моделями.

Учёные показали, что вязкость электронной жидкости напрямую влияет на поведение наномеханической системы. Раньше вязкость рассматривали только как фактор для описания электронного транспорта, а связь с наномеханикой не устанавливали. Авторы считают, что метод может стать удобным инструментом подтверждения электронной гидродинамики без дорогих измерений. Он также может помочь изучить электронно-жидкостные эффекты в графене и, вероятно, усовершенствовать нанорезонаторы и наносенсоры.

Для измерений достаточно обычного криостата с вакуумным объёмом и коаксиальных кабелей. Образцы сложнее в изготовлении, чем обычные электронные системы, и метод критичен к их качеству. Но для лаборатории авторов изготовить такие образцы проще, чем купить сканирующий магнитометр с нанометровым разрешением, а изучать их интереснее. Успех сильно зависит от оборудования, расходных материалов и технолога. По опыту Шевырина, следующие этапы — оптическая и электронная литография, химическая обработка, сверхкритическая сушка — опытный экспериментатор при неограниченном доступе к оборудованию пройдёт примерно за неделю. Первый раз создание образцов потребует больше времени.

Графен — платформа, которая хорошо зарекомендовала себя для исследования электронной жидкости при комнатных температурах. Поэтому новый метод, скорее всего, найдёт применение в материалах на основе графена. Исследование поддержано Российским научным фондом, проект № 22-12-00343-Π.

РАН