پراکندگی الکترونها درون گرافن میتواند منجر به این شود که این ذرات همانند یک مایع وشکسان به شارش در آیند. چنین شارشی، که پیشتر از این با استفاده از اندازه گیری‌های مقاومت الکتریکی تشخیص داده شده بود، اکنون به واقعیت پیوسته است.

آب درون رودخانهها تنوعی از الگوهای شارشی و چرخشی از خودش نشان میدهد. هر مانعی درون رودخانه، مانند یک پایه پل یا یک لبه ناهموار، منجر به الگوی شارشی منحصر بفردی می‌شود. پدیده شارش الکترون‌های یک جامد به طور مقایسه‌ای با این پدیده کمتر مورد بررسی قرار گرفته است. اگرچه در مقاله Nature که از Sulpizio و همکارانش گزارش شده است، آزمایشی طراحی کرده‌اند که در آن الگوی شارشی الکترون‌ها در یک رسانای الکتریکی تصویر برداری شده است.

تجسم شارش پوئیزویل از الکترون های هیدرودینامیک

پراکندگی الکترون‌ها توسط ناخالصی‌های درون شبکه اتمی و یا ارتعاشات شبکه بنام فونون‌ها منجر به ایجاد مقاومت الکتریکی درون فلز می‌شود. در حالی که پراکندگی الکترون-الکترون اثری بروی آن ندارد. در اثر برخورد دو الکترون با همدیگر، تکانه تک تک آنها تغییر می‌کند، در حالی که همانند تکانه کل دریایی از الکترون‌ها در یک فلز، تکانه کل دو الکترون نیز کمیت پایسته است. در نتیجه ، اندازه گیری ساده‌ی مقاومت یک فلز، اثرات پراکندگی الکترون-الکترون را فاش نمی‌کند. لازمه درک این اثرات، داشتن موادی است که پراکندگی الکترون-الکترون در آنها برجسته است و در نتیجه شارش الکترون‌ها شبیه یک مایع وشکسان است. در دماهای پایین، پراکندگی الکترون-الکترون (و همچنین الکترون-فونون) تضعیف می‌شود و در نتیجه پراکندگی الکترون-ناخالصی دارای اثرات مهمتری است. به طور بالعکس، در دماهای بالا، پراکندگی الکترون-فونون غلبه خواهد داشت. در مورد گرافن (تک لایه اتمی از کربن با ساختار لانه زنبوری) رنج دمایی میانی وجود دارد (40-50 کلوین) که در آن پراکندگی الکترون-الکترون دارای بیشترین آهنگ در بین بقیه رکوردهاست. اگرچه در این مورد حتی، مقاومت ماده توسط پراکندگی الکترون-الکترون متاثر نمی‌شود و این بدلیل پایستگی تکانه است.

برهمکنش های الکترونی در گرافن: ماده گرافن شامل تک لایه از اتم‌های کربن است که به صورت یک شبکه هگزاگونال کنار هم چیده شده‌اند. الکترون‌های شارشی درون آن توسط ناخالصی‌ها (مانند اتم‌های خارجی در شبکه)، سایر الکترون‌ها و همچنین ارتعاشات شبکه بنام فونون‌ها پراکنده می‌شوند. در دماهای پایین، پراکندگی الکترون-ناخالصی برجسته است. در مقابل، در دماهای بالا، پراکندگی الکترون-فونون نقش بازی می‌کند. Sulpizio و همکارانش مشاهداتی از گرافن در دماهای میانی را گزارش کردند که در آن آهنگ پراکندگی الکترون-الکترون در میان بقیه انواع پراکندگی برجسته است.

اندازه گیری مقاومت یک راه جهت تحقیق گستره شارش وشکسان است و به آن "مقاومت در مجاورت" گفته می‌شود که در مقیاس‌های بسیار کوچک اندازه‌گیری می‌شود. مقدار این کمیت در حالت شارش وشکسان تغییر علامت می‌دهد. گزینه دیگر، مشاهده اثری است به نام مقاومت "سوپر بالستیک" که برای الکترون‌های شارشی از یک روزنه باریک در یک ماده مشاهده شده است. مقاومت در این حالت به مقدار کمتر از زمانی است که سیستم بالستیک است، در حالت بالستیک به طور موثر هیچ پراکندگی وجود ندارد. چنین آزمایش‌های پیشگامانه‌ای در زمینه درک اینکه شارش وشکسان الکترون‌ها می‌تواند در ترابرد آنها اهمیت داشته باشد یا نه، قابل توجه است. اگرچه، آنها تنها دلایل غیر مستقیم از وجود چنین شارشی ارائه کردند و در مورد چینش فضایی الگوهای شارشی شهودی ارائه نکرده‌اند.

جریان الکترون‌ها درون یک نمونه رسانا به کمک یک میدان الکتریکی است. در نتیجه، در طول جهت شارش گرادیان ولتاژی وجود دارد که متاسفانه، این گرادیان موضعی ولتاژ مستقل از گستره شارشی است. اگرچه با اعمال یک میدان الکتریکی ضعیف به نمونه، ولتاژ دیگری به نام ولتاژ هال در جهتی عمود بر جهت جریان شارشی برقرار می‌شود. خوشبختانه، نمایه فضایی ولتاژ هال اطلاعاتی در مورد مشخصه های شارشی ارائه می‌کند.

Sulpizio و همکارانش از یک حسگر حساس به میدان الکتریکی استفاده کردند که توانایی روبش موضعی ولتاژ هال را دارد. این حسگر، تکنولوژی جدیدی است که توسط این گروه ساخته شده است و شامل یک قطعه الکترونیکی به نام ترانزیستور تک الکترونی است. رسانایی این قطعه به طور محسوسی به محیط الکتروستاتیک پیرامونش بستگی دارد.

اسپکتروسکوپی گرافن چرخیده

حسگر مورد استفاده در این پژوهش از نانوتیوب‌های کربنی فوق نازک ساخته شده است به طوری که الکترون‌ها توسط الکترودها به درون این نانوتیوب‌ها مقید شده‌اند. چنین چیدمانی حساسیت لازم جهت تشخیص میدان‌های الکتریکی ضعیف یا گرادیان‌های ولتاژ وابسته به ولتاژ هال را فراهم می‌کند. اندازه حسگر و فاصله آن تا شی مورد نظر از جمله عوامل جهت محدود سازی تفکیک پذیری فضایی (رزولوشن) آن هستند. با تغییرات دما و تعداد حاملان بار بر واحد سطح در یک نمونه می‌توان گستره‌های شارشی متفاوتی را در آن القا کرد که این خود منجر به پروفایل‌های متفاوتی از ولتاژ هال می‌شود. Sulpizio و همکارانش از این ویژگی استفاده کردند و به تصویربرداری از میدان الکتریکی موضعی در یک لایه یکنواخت از گرافن پرداختند. آن‌ها همچنین به تحقیق در مورد گذار بین گستره ای که در آن پراکندگی الکترون-الکترون غالب است و حالتی که در آن پراکندگی‌های الکترون-حفره و الکترون-ناخالصی برجسته‌اند، پرداختند.‌

محققان در این پژوهش به طور تجربی به بررسی پراکندگی الکترون-الکترون و تاثیر آن به روی پروفایل ولتاژ هال یک رسانای یکنواخت ‌پرداخته اند. شارش وشکسان در مایعات منجر به تلاطم و گرداب می‌شود که اینها خود به وشکسانی مایع و موجودات درون آن بستگی دارند. اگرچه، مشاهده چنین ویژگی‌هایی در ترابرد الکترونی فراسوی پژوهش کنونی است و نیاز به ابزارهای تجربی متفاوتی مانند حسگرهای میدان مغناطیسی یا نمونه هایی با هندسه های پیچیده دارند.

نتایج Sulpizio و همکارانش چه نقشی در فهم ما از ترابرد الکترون در رساناها دارند؟ در گستره وشکسان، شارش الکترون‌ها بوسیله مفهوم جهان شمول هیدرودینامیک بنام شارش پوئیزویل توصیف می‌شود. بیان نویسندگان از شارش الکترونی پوئیزویل دستاورد قابل توجهی در زمینه مطالعه ترابرد الکترون‌ها و نیز ارائه تکنیک تصویری برداری پیچیده ای است که تفکیک پذیری فضایی زیاد را با حساسیت قوی ترکیب می‌کند.‌ در نتیجه این پژوهش، ما اکنون می‌دانیم که شارش الکترون‌ها می‌تواند نفوذی، بالستیک یا وشکسان باشد و اینکه ابزارهای آزمایشگاهی وجود دارند که به ما در تشخیص این گستره‌ها از هم کمک می‌کنند.

برای سیستم های حالت جامد در حالت کلی، برهمکنش‌های الکترون الکترون در مورد پدیده هایی به گستردگی فرومغناطیس (نوع آشنای مغناطیس است که در شمش‌های مغناطیسی یافت شده است) و اثر کوانتومی هال کسری (که به موجب آن رفتار الکترون‌های درون یک میدان مغناطیسی قوی شبیه یک ذره با بار الکتریکی کسری است) اهمیت پیدا می‌کنند. تکنیک نویسندگان همچنین قابلیت استفاده در بررسی پدیده موضعی ابررسانایی که سال قبل در یک دولایه گرافنی پیچیده مشاهده شد، را دارد. قابلیت آن در آشکار سازی اطلاعات در مورد سیستم های الکترونی برهمکشی قوی نتایج قابل توجهی در این زمینه خواهد داشت. کاربردهای بیشتر این تکنیک توانایی روبش موضعی میدان های الکتریکی موجود در مدارهای کوانتومی پیچیده را دارد، که شاید روزی منجر به کامپیوترهای کوانتومی شود.

Nature 576, 45-46 (2019)

doi: 10.1038/d41586-019-03702-1