Раньше считалось, что взаимодействие электронов с фононами в полупроводниках только вредит проводимости, но ученые из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре обнаружили, что в двумерных материалах все иначе. Оказалось, что в таких тонких, как пленка, структурах эти столкновения не тормозят ток, а наоборот — помогают ему течь почти без потерь.

Результаты опубликованы в издании Physical Review Letters.

Фононы – это не частицы в привычном смысле, а кванты колебаний атомов в кристаллической решетке. Представьте, что атомы в материале связаны пружинками. Когда один атом толкает соседа, возникает волна сжатия и растяжения — это и есть фонон. Они переносят тепло, а при столкновении с электронами тормозят их, создавая сопротивление.

Когда электроны движутся в обычном полупроводнике, они постоянно сталкиваются с фононами — квазичастицами, которые переносят тепло. Из-за этого электроны теряют скорость, и проводимость падает. Но в двумерных материалах, таких как графен или дисульфид молибдена, эти столкновения ведут себя иначе.

В трехмерных системах электроны при столкновениях теряют импульс, а здесь он сохраняется, — объясняет Болин Ляо, специалист по тепловой энергии. — Получается, что электроны и фононы начинают двигаться согласованно, как молекулы в потоке воды.

Этот эффект называют гидродинамикой электрон-фононной системы. Вместо хаотичного движения, как в дыме, частицы ведут себя как жидкость в трубе — текут вместе с минимальным сопротивлением.

В дисульфиде молибдена такая гидродинамика увеличивает подвижность зарядов почти в семь раз.

Раньше для высокой проводимости приходилось охлаждать материалы почти до абсолютного нуля, — говорит Ляо. — Теперь можно просто проектировать структуры, где столкновения сохраняют импульс. Это открывает новые возможности для микроэлектроники.

Польза исследования

• Энергоэффективные процессоры – если удастся создать чипы на основе 2D-материалов с такой проводимостью, они будут меньше греться и потреблять меньше энергии.
• Гибкая электроника – тонкие пленки дисульфида молибдена можно интегрировать в носимые устройства.
• Альтернатива сверхпроводникам – возможно, удастся добиться сверхнизкого сопротивления без экстремального охлаждения.

Пока исследование основано на теоретических расчетах и моделировании. Экспериментально подтвердить гидродинамический эффект в реальных устройствах сложнее — в реальности на проводимость влияют дефекты материала, контакты и другие факторы.

Ранее ученые открыли новый вид магнетизма.