Графен, лист углерода толщиной в атом, расположенный в виде сот, является особенно чистым электрическим проводником, что делает его идеальным материалом для изучения электронного потока с очень низким сопротивлением. Здесь исследователи намеренно добавили примеси на известных расстояниях и обнаружили, что поток электронов меняется с газообразного на жидкоподобный с повышением температуры.

"Все проводящие материалы содержат примеси и дефекты, которые блокируют поток электронов, что вызывает сопротивление. Исторически сложилось так, что люди использовали подход с низким разрешением для определения того, откуда берется сопротивление", - говорит Зак Кребс, аспирант физики в Калифорнийском университете в Мэдисоне и соавтор исследования. "В этом исследовании мы изображаем, как заряд обтекает примесь, и на самом деле видим, как эта примесь блокирует ток и вызывает сопротивление, чего раньше не делалось, чтобы отличить газообразный поток электронов от жидкоподобного.

Исследователи намеренно внедрили в графен препятствия, расположенные на контролируемых расстояниях, а затем пропустили ток через лист. Используя метод, называемый сканирующей туннельной потенциометрией (STP), они измерили напряжение с нанометровым разрешением во всех точках графена, создав 2D-карту структуры электронного потока.

Независимо от расстояния между препятствиями падение напряжения в канале было намного ниже при более высокой температуре (77 кельвинов) по сравнению с более низкой температурой (4 К), что указывает на меньшее сопротивление при прохождении большего количества электронов.

При температурах, близких к абсолютному нулю, электроны в графене ведут себя как газ: они рассеиваются во всех направлениях и с большей вероятностью натыкаются на препятствия, чем взаимодействуют друг с другом. Сопротивление выше, а поток электронов относительно неэффективен. При более высоких температурах - 77 К, или минус 196 °С - текучее поведение потока электронов означает, что они больше взаимодействуют друг с другом, чем сталкиваются с препятствиями, протекая подобно воде между двумя камнями в середине потока. Это похоже на то, как если бы электроны передавали информацию о препятствии друг другу и отклонялись вокруг камней.

"Мы провели количественный анализ [карты напряжений] и обнаружили, что при более высокой температуре сопротивление в канале намного ниже. Электроны текли более свободно и напоминали жидкость", - говорит Кребс. "Графен настолько чистый, что мы заставляем электроны взаимодействовать друг с другом до того, как они взаимодействуют с чем-либо еще, и это имеет решающее значение для того, чтобы заставить их вести себя как жидкость".

Бывший аспирант UW-Madison Уайатт Бен является соавтором этого исследования, проведенного в группе профессора физики Виктора Брара. Финансирование было предоставлено Министерством энергетики США (DE-SC00020313), Управлением военно-морских исследований (N00014-20-1-2356 ) и Национальный научный фонд (DMR-1653661).