Международная группа ученых, в состав которой вошли физики из Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, провела эксперимент, подтверждающий, что электроны в графене демонстрируют свойства, характерные для «томографической жидкости». В такой среде коллективные колебания различной структуры гаснут с существенно отличающейся скоростью, что может привести к появлению новых возможностей в электронике. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.
В материалах с исключительно высокой степенью чистоты, например в графене, электроны способны перемещаться не как отдельные частицы, а как единая вязкая среда, аналогичная воде или воздуху. Данное явление, называемое электронной гидродинамикой, открывает возможность исследовать в лабораторных условиях процессы, обычно наблюдаемые в труднодоступных средах, таких как кварк-глюонная плазма или в необычных астрофизических объектах.
В этой области существует одна из основополагающих теорий – гипотеза «томографической» жидкости. Она предполагает, что в двумерных материалах коллективные колебания в электронной жидкости демонстрируют нетипичное поведение. Согласно этой гипотезе, возмущения с четной симметрией (которые можно сравнить с симметричным сжатием) должны быстро затухать, а возмущения с нечетной симметрией (подобные сдвигу) – напротив, сохраняться продолжительное время. Однако, из-за недостатка подходящих экспериментальных методов, напрямую это доказать не представлялось возможным.
Новый метод был разработан и реализован группой ученых, представляющих МФТИ, Университет Регенсбурга и Национальный университет Сингапура. С помощью высокопорядкового циклотронного резонанса им удалось избирательно возбуждать электронные возмущения различной симметрии в графене и определять продолжительность их существования. Для проведения эксперимента образец графена помещали в сильное магнитное поле и подвергали воздействию терагерцового лазера.
В ходе эксперимента установлено, что резонансный пик, связанный с нечетным возмущением (третьего порядка), оказался заметно более узким, чем пик четного возмущения (второго порядка). Полученные данные стали непосредственным подтверждением того, что нечетные моды характеризуются более медленным затуханием, что в полной мере согласуется с гипотезой томографической жидкости.
«Полученные нами данные впервые напрямую подтверждают данную гипотезу, — рассказал Дмитрий Свинцов, руководитель лаборатории оптоэлектроники двумерных материалов, входящей в состав Центра фотоники и 2D-материалов МФТИ. — Проведенные исследования продемонстрировали, что выявленная иерархия скоростей затухания явно свидетельствует о преобладающем влиянии столкновений между электронами в уникальном гидродинамическом режиме. Это позволяет применять нашу методику для анализа квантовых жидкостей».
Подтверждение выдвинутой гипотезы представляет собой значимую практическую ценность. Необычайно продолжительные нечетные возмущения могут служить переносчиками данных, что позволит осуществлять передачу сигналов с незначительными потерями. Это может послужить фундаментом для разработки нового поколения сверхскоростной и экономичной терагерцовой электроники. Специалисты Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ рассматривают перспективу внедрения данной технологии в системы коммуникаций и обработки информации и в настоящее время активно ищут промышленные предприятия для дальнейшей разработки и применения открытия.
Научная статья: Илья Мойсеенко, Эрвин Мёнх, Кирилл Капралов, Денис Бандурин, Сергей Ганичев и Дмитрий Свинтсов, Проверка Томографической Гипотезы Ферми-жидкости с Использованием Циклотронного Резонанса Высокого Порядка , Physical Review Letters 134, 226902 (2025).