Международная группа ученых под руководством физиков из Центра фотоники и двумерных материалов Московского физико-технического института (МФТИ) экспериментально доказала, что электроны в графене могут вести себя как особая «томографическая жидкость». В такой жидкости коллективные возмущения (сложно устроенные волны) разного типа затухают с кардинально разной скоростью, что открывает новые перспективы для электроники.
В сверхчистых материалах, таких как графен, электроны могут двигаться не как отдельные частицы, а как единая вязкая среда, подобно воде или воздуху. Это явление, известное как электронная гидродинамика, позволяет изучать в настольных экспериментах процессы, схожие с теми, что обычно происходят в условиях, которые трудно достичь в лаборатории — например в кварк-глюонной плазме или в экзотических астрофизических объектах.
Одна из ключевых теорий в этой области, гипотеза «томографической» жидкости, предсказывала, что в двумерных материалах коллективные волны в электронной жидкости должны вести себя необычно. Возмущения с четной симметрией (похожие на симметричное сжатие) должны быстро исчезать, в то время как нечетные возмущения (похожие на сдвиг) должны существовать аномально долго. Однако доказать это напрямую не удавалось из-за отсутствия подходящих экспериментальных методов.
Команда ученых из МФТИ, Университета Регенсбурга и Национального университета Сингапура разработала и применила новый подход. Используя метод высокопорядкового циклотронного резонанса, они смогли целенаправленно возбуждать в графене электронные возмущения разной симметрии и измерять время их жизни. Для этого образец графена помещался в сильное магнитное поле и облучался терагерцовым лазером. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Эксперимент показал, что резонансный пик, соответствующий нечетному возмущению (третьего порядка), был значительно уже, чем пик четного возмущения (второго порядка). Это стало прямым доказательством того, что нечетные моды затухают медленнее, полностью подтвердив гипотезу томографической жидкости.
«Наши результаты — первое прямое подтверждение этой гипотезы, — рассказал Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ. — Мы показали, что обнаруженная иерархия скоростей затухания однозначно указывает на доминирующую роль электрон-электронных столкновений в специфическом гидродинамическом режиме. Это открывает возможность использовать наш метод для изучения квантовых жидкостей».
Подтверждение гипотезы имеет важное практическое значение. Аномально долгоживущие нечетные возмущения могут быть использованы как носители информации, что позволит передавать сигналы с минимальными потерями. Это может стать основой для создания нового поколения сверхбыстрой и энергоэффективной терагерцовой электроники. Ученые Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ видят серьезный потенциал для внедрения технологии в системы связи и обработки данных и активно ищут индустриальных партнеров для дальнейшего развития и применения открытия.