Dispersia dintre electronii din materialul grafenului poate fi cauza pentru care aceste particule pot curge ca un lichid vâscos. Acest debit, care a fost detectat anterior cu ajutorul măsurărilor rezistenței electrice, a fost acum observat.
Apa dintr-un râu prezintă o varietate de modele de flux și vârtejuri. Orice obstacol din fluviu, cum ar fi un stâlp de pod sau, pur și simplu, un mal dur, va duce la o structură de flux diferită. A fost relativ mai puțin evident cum circulă electronii într-un solid. Dar într-un articol publicat în jurnalul Nature, Sulpizio raportează un experiment în care este imaginat modelul de flux al electronilor într-un conductor electric.
Rezistența electrică a unui metal este cauzată de electronii împrăștiați de impuritățile din rețeaua atomică a materialului sau din vibrațiile de grilă, numite fononi. Cu toate acestea, nu este afectată de către dispersia electron-electron. Când doi electroni se împrăștie reciproc, momentul lor individual este schimbat prin „evenimentul de împrăștiere”. Dar impulsul total al celor doi electroni este conservat, la fel ca și impulsul total al mai multor electroni într-un metal. Prin urmare, simpla măsurare a rezistenței unui metal nu va dezvălui efectele împrăștierii electronilor.
Pentru a reduce aceste efecte, materialele trebuie să fie reglate la un regim în care dispersia electronilor este dominantă, iar fluxul de electroni este ca un lichid vâscos. La temperaturi scăzute, dispersia electronilor (precum și a electronilor-fonon) este suprimată, iar impuritatea electronică este domină. Pe de altă parte, la temperaturi ridicate, fenomenul de dispersie a electronilor preia controlul. În cazul grafenului (un singur strat de atomi de carbon dispus într-o grilă în formă de fagure), există un interval de temperaturi intermediare (50 – 250 K) pentru care frecvența de dispersie a electronilor este cea mai ridicată dintre toate vitezele de dispersie (fig. 1). Cu toate acestea, chiar și în acest caz, rezistența materialului nu va fi modificată prin dispersia electronilor din cauza impulsului de conservare.
Grafenul este format dintr-un singur strat de atomi de carbon, dispus într-o grilă hexagonală. Electronii care curg prin grafen pot fi dispersați de impurități (cum ar fi atomii străini în fagure), de alți electroni și de vibrații cunoscute sub numele de fononi. La temperaturi scăzute, dispersia electron-impuritate domină. Prin contrast, la temperaturi ridicate, dispersia electron-fonon preia controlul. Se raportează observațiile grafenului la temperaturi intermediare pentru care rata de dispersie electron-electron este cea mai mare dintre toate ratele de dispersie.
O modalitate de a investiga regimul debitelor vâscoase a fost măsurarea unei rezistențe locale, cunoscută sub numele de „rezistență de apropiere”, la o scară extrem de mică. Valoarea acestei cantități se modifică în cazul debitului vâscos. O altă opțiune a fost aceea de a observa un efect numit rezistență superbalistică pentru electronii care trec printr-o deschidere îngustă dintr-un material. Aici, rezistența este redusă sub valoarea așteptată pentru un sistem balistic, în care, de fapt, nu există dispersie. Astfel de experimente de pionierat au fost cruciale pentru a demonstra că fluxul vâscos al electronilor poate fi important în transportul electronilor. Cu toate acestea, ele oferă doar dovezi indirecte despre existența unui astfel de flux și nu oferă informații cu privire la aranjamentele spațiale ale modelelor de flux.
Electronii care trec printr-un eșantion dintr-un material conductor sunt acționați de un câmp electric. În consecință, există un gradient de tensiune în direcția fluxului de curent. Din păcate, acest gradient de tensiune locală este independent de regimul fluxului. Dar când se aplică un câmp magnetic slab pe eșantion, o altă tensiune, cunoscută sub numele de tensiune Hall, este produsă perpendicular pe direcția fluxului de curent. Profilul spațial al tensiunii Hall oferă informații despre caracteristicile fluxului.
Sulpizio și colegii săi utilizează un senzor sensibil la câmpul electric care permite testarea locală a acestei tensiunii Hall. Senzorul este o tehnologie inovatoare dezvoltată de acest grup de cercetare. Este format dintr-un dispozitiv electronic, denumit tranzistor cu un singur electron, a cărui conductanță depinde, în mod sensibil, de mediul său electrostatic.
În cadrul lucrărilor actuale, senzorul este fabricat din nanotuburi de carbon. Electronii individuali sunt izolați în interiorul acestor nanotuburi de către electrozi. Un astfel de aranjament oferă sensibilitatea necesară pentru detectarea câmpurilor electrice slabe sau a gradienților de tensiune, cum ar fi cei asociați tensiunii Hall. Rezoluția spațială a senzorului este limitată de dimensiunea sa și de distanța dintre senzor și obiectul care trebuie analizat.
Modificarea temperaturii și a numărului de transportoare de sarcină pe o anumită suprafață din eșantion determină regimuri de debit diferite, care conduc la profiluri diferite de tensiune Hall. Sulpizio utilizează această proprietate pentru a imagina câmpurile electrice locale într-un strat uniform de grafen. De asemenea, el investighează tranziția între regimul în care domină dispersia electron-electron și cele în care controlul este preluat de dispersia electron-fonon sau electron‑impuritate.
Autorii demonstrează experimental cum dispersia electron-electron modifică profilul tensiunii Hall al unui conductor uniform. Debitul vâscos din lichide conduce la turbulențe și vârtejuri, în funcție de vâscozitatea lichidului și de obstacolele din calea fluxului. Cu toate acestea, observarea unor astfel de caracteristici în transportul electronic nu se încadrează în domeniul de aplicare al lucrărilor actuale și ar putea necesita instrumente experimentale diferite, cum ar fi senzori de câmp magnetic sensibili sau eșantioane care au geometrii complexe.
Ce reprezintă rezultatele obținute de către Sulpizio și colegilor săi pentru înțelegerea transportului electronilor în conductori? În regimul vâscos, fluxul de electroni este descris printr-un concept hidrodinamic universal, cunoscut sub numele de flux Poiseuille. Imagistica autorilor asupra fluxului electronic Poiseuille este o inovație în studiul transportului de electroni, precum și o demonstrație a unei tehnici sofisticate de imagistică care combină rezoluția spațială ridicată cu sensibilitatea extremă. Acum știm că fluxul electronic poate fi difuz, balistic sau vâscos și că există instrumente experimentale pentru diferențierea acestor regimuri.
Pentru sistemele în stare solidă, în general, interacțiunile electron-electron sunt relevante pentru diverse fenomene precum feromagnetismul (tipul de magnetism găsit în magneții cu bară de fier) și efectul cuantic fracționar Hall (prin care electronii dintr-un câmp magnetic puternic acționează împreună pentru a se comporta ca particulele care au o sarcină electrică fracționată). Tehnica autorilor ar putea fi utilizată, de asemenea, pentru a investiga, la scară locală, superconductivitatea descoperită în anul 2019 într-o structură răsucită bistratificată de grafen. Potențialul de a extrage informații locale despre sistemele cu interacțiuni puternice ale electronilor va avea consecințe profunde asupra acestui domeniu. Alte aplicații ale tehnicii ar putea permite cercetarea locală a câmpurilor electrice pe măsură ce acestea apar în circuite cuantice complexe – care ar putea duce, într-o zi, la un calculator cuantic.