Физики МФТИ экспериментально доказали, что электроны в графене могут вести себя как особая «томографическая жидкость». Открытие подтверждает многолетнюю гипотезу и открывает путь к созданию нового поколения сверхбыстрой и энергоэффективной терагерцовой электроники. Результаты опубликованы в Physical Review Letters.
Электроны как жидкость
В сверхчистых материалах, таких как графен, электроны могут двигаться не как отдельные частицы, а как единая вязкая среда — подобно воде или воздуху. Это явление известно как электронная гидродинамика.
Оно позволяет изучать в настольных экспериментах процессы, схожие с теми, что обычно происходят в условиях, труднодостижимых в лаборатории, например, в кварк-глюонной плазме или в экзотических астрофизических объектах.
Гипотеза томографической жидкости
Одна из ключевых теорий в этой области, гипотеза «томографической» жидкости, предсказывала необычное поведение коллективных волн в электронной жидкости двумерных материалов.
Возмущения с чётной симметрией (похожие на симметричное сжатие) должны быстро исчезать. Нечётные возмущения (похожие на сдвиг) должны существовать аномально долго.
Однако доказать это напрямую не удавалось из-за отсутствия подходящих экспериментальных методов.
Новый метод исследования
Команда учёных 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.
Образец графена помещался в сильное магнитное поле и облучался терагерцовым лазером. Это позволило наблюдать поведение электронной жидкости при различных типах возмущений.
Результаты эксперимента
Эксперимент показал: резонансный пик, соответствующий нечётному возмущению (третьего порядка), был значительно уже, чем пик чётного возмущения (второго порядка).
Это стало прямым доказательством того, что нечётные моды затухают медленнее, полностью подтвердив гипотезу томографической жидкости.
Механизм объясняется так: при чётных деформациях электроны сталкиваются эффективно, быстро рассеивая энергию. При нечётных деформациях столкновения происходят иначе, и энергия сохраняется значительно дольше.
Что говорят учёные
Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ:
«Наши результаты — первое прямое подтверждение этой гипотезы. 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».
Практическое значение
Подтверждение гипотезы имеет важное практическое значение. Аномально долгоживущие нечётные возмущения могут быть использованы как носители информации.
Это позволит передавать сигналы с минимальными потерями — основа для создания нового поколения сверхбыстрой и энергоэффективной терагерцовой электроники.
Терагерцовая электроника работает на частотах между микроволновым и инфракрасным диапазонами. Она обещает скорости передачи данных в тысячи раз выше, чем современные технологии.
Проблема терагерцовых систем — быстрое затухание сигналов. Использование долгоживущих нечётных возмущений в графене может решить эту проблему.
Применение в реальных устройствах
Системы связи
Передача данных на терагерцовых частотах с минимальными потерями позволит создать каналы связи нового поколения — быстрее и эффективнее современных оптоволоконных и беспроводных систем.
- Обработка данных
Процессоры на основе графеновой терагерцовой электроники смогут работать на частотах, недостижимых для кремниевых чипов. Это радикально увеличит вычислительную мощность при снижении энергопотребления.
- Сенсоры и детекторы
Терагерцовое излучение используется для сканирования, медицинской диагностики, контроля качества материалов. Устройства на основе графена с долгоживущими возмущениями повысят чувствительность и точность таких систем.
- Квантовые технологии
Понимание поведения квантовых жидкостей открывает новые подходы к созданию квантовых компьютеров и систем квантовой связи.
Дальнейшие шаги
Учёные Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ видят серьёзный потенциал для внедрения технологии в системы связи и обработки данных. Активно ищут индустриальных партнёров для дальнейшего развития и применения открытия.
Следующие этапы исследований:
- Оптимизация условий для максимального увеличения времени жизни нечётных возмущений;
- Разработка прототипов терагерцовых устройств на основе графена;
- Интеграция технологии с существующими электронными системами;
- Масштабирование производства графеновых структур с требуемыми характеристиками
Значение для науки и технологий
Подтверждение гипотезы томографической жидкости — фундаментальный прорыв в понимании поведения электронов в двумерных материалах.
Графен продолжает демонстрировать уникальные свойства, открывающие новые возможности для электроники. Электронная гидродинамика — ещё одна область, где этот материал превосходит традиционные полупроводники.
Возможность изучать в настольных экспериментах процессы, аналогичные тем, что происходят в кварк-глюонной плазме или астрофизических объектах, даёт учёным новый инструмент для фундаментальных исследований.
Российские физики из МФТИ показали, что способны конкурировать на переднем крае мировой науки, разрабатывая оригинальные экспериментальные методы и получая результаты мирового уровня.
От фундаментального открытия до коммерческих устройств обычно проходят годы. Но потенциал технологии настолько велик, что индустриальный интерес может ускорить развитие. Терагерцовая электроника на основе графена — один из путей к следующему поколению вычислительных и коммуникационных систем.