Новая модель позволяет обнаруживать баллистические электроны в реалистичных условиях

Баллистические электроны относятся к числу самых удивительных явлений в современных квантовых материалах. В отличие от обычных электронов, они не рассеиваются на дефектах материала и поэтому перемещаются из точки А в точку Б практически без сопротивления — подобно капсуле в пневматической трубе. Такое поведение часто наблюдается в ограниченных одномерных или двумерных материалах.

В то время как энергия рассеивается в виде тепла при течении электронов в 2D-материале, этого не происходит в краевом канале — что приводит к характерному распределению энергии и напряжения, которое можно измерить с помощью соответствующих приборов. Автор: Forschungszentrum Jülich

Исследователи из Исследовательского центра Юлиха и Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена разработали модель, которая может обнаруживать этот особый поток электронов в реалистичных условиях. Работа была опубликована как «Выбор редакции» в журнале Physical Review Letters.

Баллистические электронные каналы, формирующиеся вдоль краев двумерных топологических материалов, считаются чрезвычайно перспективными для электроники будущего: они могут стать основой для энергоэффективных схем и квантовых компьютеров с устойчивыми кубитами.

Новый подход основан на теории баллистического переноса заряда, разработанной Рольфом Ландауэром несколько десятилетий назад. Однако его классическая модель описывает лишь идеализированный случай — Ландауэр предполагал, что электроны могут входить в такой канал или покидать его только на его концах.

Новая модель из Юлиха делает решающий шаг вперед. Она учитывает, что такой баллистический канал заряда не существует изолированно, а формирует край аналогично проводящего материала, через который вводится ток. Следовательно, электроны могут входить в канал или покидать его по всей его длине.

«Это позволяет нам впервые описать поведение таких краевых каналов способом, который отражает то, что на самом деле происходит в экспериментах», — говорит первый автор доктор Кристоф Мурс.

«Наша теория также предоставляет четкие сигнатуры, которые можно использовать для идентификации бездиссипативного, баллистического течения тока и отличить его от обычного переноса заряда», — добавляет Мурс, который после постдокторской стажировки в Институте Петера Грюнберга (PGI-9) в Юлихе перешел в исследовательский центр наноэлектроники Imec в Лёвене, Бельгия.

Вверху: согласно классической модели Ландауэра, электроны текут от одного конца к другому через баллистический канал без потерь энергии. Внизу: согласно реалистичной модели Юлиха краевого канала, ток вводится в соседний 2D-материал, и электроны входят в канал и покидают его по всей его длине. Автор: Forschungszentrum Jülich

Модель показывает, что течение тока через двумерный материал фундаментально меняется из-за присутствия баллистического канала. Она предсказывает характерные распределения напряжения, которые можно непосредственно наблюдать с помощью нанозондовых или многоигольчатых сканирующих туннельных микроскопов. Это позволяет экспериментально отличать баллистические токи от диссипативных, то есть сопровождающихся потерями, что является важным шагом на пути к неопровержимому доказательству существования этих экзотических каналов проводимости и их использования в устройствах будущего.

Больше информации: Kristof Moors et al, Distributed Current Injection into a One-Dimensional Ballistic Edge Channel, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/l47r-plxq

Источник: Jülich Research Centre