Электронная жидкость в кольце: как магнитное поле выдаёт вязкость ✛

Оригинал: "Hydrodynamic magnetotransport in a GaAs Corbino geometry"
arXiv:2609.10511v1 · 2026-09-09 · CC BY 4.0 · 2 мин
В кольцевом канале из арсенида галлия сопротивление растёт с магнитным полем, и по этому росту можно измерить вязкость электронной жидкости.

Кольцевой канал из арсенида галлия похож на круглый бассейн без бортиков: электроны втекают через внутренний берег и вытекают через внешний. В сверхчистом материале они сталкиваются друг с другом чаще, чем с дефектами решётки, и начинают вести себя как жидкость. Если включить магнитное поле, оно закручивает этот поток, и сопротивление канала растёт. Причём растёт оно пропорционально квадрату поля, и по этому росту можно судить о вязкости электронной жидкости.

Вязкость электронной жидкости — это её сопротивление изменению формы течения. Чем больше вязкость, тем сильнее поток «цепляется» сам за себя и тем труднее его закрутить.

Исследователи изготовили несколько колец с разными внешними радиусами и измеряли сопротивление при температурах от 4,2 кельвина и выше. Оказалось, что коэффициент перед квадратом поля растёт с радиусом и падает с температурой. Это как раз то, что предсказывает гидродинамическая теория: в более крупном кольце жидкости больше места, чтобы проявить вязкость, а при нагреве электроны чаще сталкиваются и вязкость снижается.

Относительное изменение сопротивления достигало десяти тысяч процентов при поле всего 0,2 тесла. Для сравнения, обычный металл в таком поле меняет сопротивление на доли процента.

Из данных извлекли характерную длину, на которой вязкость сравнивается с трением о решётку. Она уменьшалась с температурой от нескольких микрометров до долей микрометра. Это согласуется с независимыми измерениями на холловских мостиках — устройствах другой формы, где вклад вязкости часто маскируется краевыми эффектами. В кольцевом канале таких краёв нет, поэтому вязкий отклик виден в чистом виде.

Так кольцевой канал стал новым инструментом для измерения вязкости электронной жидкости. Раньше для этого использовали в основном холловские мостики, но там результат зависел от того, как электроны взаимодействуют с боковыми стенками. В кольце этот источник неопределённости исчезает, и остаётся только объёмное течение. Теперь физики могут проверять теории электронной гидродинамики на более чистой платформе.

Относительное магнитосопротивление в этих устройствах достигало $10^4$%, что означает изменение сопротивления в сто раз при поле всего 0,2 Тл. Для сравнения, обычные металлы меняют сопротивление на доли процента в таких полях.

R(B)-R(0)=\alpha B^2
Сопротивление растёт пропорционально квадрату магнитного поля, коэффициент α зависит от температуры и радиуса.
l_G=\sqrt{\nu\tau_{mr}}
Характерный масштаб, на котором вязкость сравнивается с релаксацией импульса; определяет кроссовер между гидродинамическим и диффузионным режимами.
\tau_{2,ee}^{-1}=A_{ee}\frac{k_B^2}{\hbar E_F}T^2
Вклад электрон-электронных столкновений в релаксацию второй гармоники функции распределения, растущий как квадрат температуры.
Понятия
магнитосопротивление динамика плавания микроорганизмов альфвеновская волна