Вязкие электроны в графене, или Страшный кошмар Георга Ома

Электрический ток в графене может протекать «против шерсти».

Все мы проходили в школе закон Ома, который говорит о том, что сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка. Обычно ток, который течёт по проводам, на схеме обозначают стрелочкой, направленной в ту сторону, в которую он, собственно, и течёт.

Тут, правда, есть противоречие: с одной стороны, мы знаем, что ток в проводах – это электроны, отрицательно заряженные элементарные частицы, которые двигаются от «минуса» к «плюсу». А с другой стороны, на схемах ток всегда почему-то «течёт» в обратную сторону: от «плюса» к «минусу».

Этот факт имеет простое историческое объяснение. В то время, когда первые исследователи начали изучать электрические явления и собирать первые цепи постоянного тока, ещё не было известно о существовании электронов, и уж тем более никто ничего не знал о знаке носителей заряда в металлических проводниках. Андре-Мари Ампер, а именно он ввёл в физику понятие «электрический ток», предложил считать, что ток течёт  от «плюса» к «минусу».

Это настолько утвердилось в среде физиков, что когда электроны всё-таки были обнаружены, и выяснилось, что направление тока на самом деле противоположное, никто не стал отказываться от привычного «направления» тока, оставив его таким, каким его предложил Ампер. Поэтому ток с тех пор и течёт, в общем-то, против самого себя.

А вот сейчас вышло сразу две научные работы, в одной из которых доказывается теоретически, а в другой – экспериментально показывается, что ток действительно может течь в обратную сторону. Правда, для этого «фокуса» нужен специальный «реквизит», и имя ему – графен. Именно этот удивительный материал, который в 2004 году впервые получили физики Андрей Гейм и Константин Новосёлов, не перестаёт удивлять учёных всего мира своими необычными свойствами. На этот раз графен смог обратить вспять электрический ток, заставив электроны двигаться «противоестественным» образом – от «плюса» к «минусу».

Долгое время физики предполагали, что электрический ток, который, по сути, представляет собой поток электронов, должен вести себя подобно жидкости, со всеми присущими жидкостями свойствами, например, вязкости. Однако до сих пор проявления такой «электронной» вязкости не были известны.

Во-первых, чтобы их обнаружить, они должны, по крайней мере, существовать, а во-вторых – должен быть способ измерить макроскопические параметры тока. Тогда можно было бы подтвердить теорию «жидкого» электричества.

Двое физиков, Григорий Фалькович и Леонид Левитов показали, что опытом, подтверждающим макроскопическое поведение постоянного тока, могло бы быть наблюдение образования вихрей, возникающих в вязком потоке электронов. В результате в графене образуются области, в которых поток электронов направлен от «плюса» к «минусу».

«Все учили в школе закон Ома, по которому ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Так что ток раньше всегда тек от плюса к минусу. А мы показали, что в графене ток может течь против приложенного напряжения, что соответствует отрицательному сопротивлению. Причина этого в том, что электроны в графене могут сильно взаимодействовать друг с другом и в результате вовлекать в движение соседние слои, то есть течь как вязкая жидкость, создавая вихри», – комментирует полученные результаты один из авторов исследования, Григорий Фалькович.

Что самое потрясающее в этой истории, так это то, что параллельно с выходом теоретической статьи, в которой описывалась возможность наблюдения таких вихрей, вышла независимая статья физиков из Манчестерского университета и Гарварда, в которой отрицательное сопротивление впервые наблюдалось в эксперименте.

Так что термин «электронный газ», которым обычно описывается состояние электронов в проводнике, может вскоре потеснить «электронная жидкость», по крайней мере, на двумерных просторах графена.

По материалам ИППИ РАН и Nature Physics.