Баллистические электроны — одно из 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 B практически без сопротивления — как капсула в пневматической трубе. Такое поведение часто наблюдается в ограниченных одно- или двумерных материалах.
Исследователи из Forschungszentrum Jülich и RWTH Aachen University разработали модель, которая может обнаруживать этот особый поток электронов в реальных условиях. Работа была опубликована в журнале Physical Review Letters как предложение редакторов.
Баллистические электронные каналы, формирующиеся по краям двумерных топологических материалов, считаются весьма перспективными для будущей электроники: они могут стать основой для энергоэффективных схем и квантовых компьютеров с надёжными кубитами.
Новый подход основан на теории баллистического переноса заряда, разработанной Рольфом Ландауэром несколько десятилетий назад. Однако его классическая модель описывает только идеализированный случай — Ландауэр предполагал, что электроны могут входить или выходить из такого канала только на его концах.
Новая модель из Юлиха делает решающий шаг вперёд. Она учитывает, что такой баллистический канал заряда существует не изолированно, а образует край аналогичного проводящего материала, через который подаётся ток. Таким образом, электроны могут входить или выходить по всей длине канала.
«Это позволяет нам впервые описать поведение таких краевых каналов таким образом, чтобы оно отражало то, что происходит в экспериментах», — говорит первый автор доктор Кристоф Мурс.
«Наша теория также предоставляет чёткие признаки, которые можно использовать для идентификации безызлучательного баллистического потока тока и отличить его от обычного переноса заряда», — говорит Мурс, который перешёл в исследовательский центр Imec в Лёвене, Бельгия, после своей постдокторской стажировки в Институте Петера Грюнберга (PGI-9) в Юлихе.
Модель показывает, что поток тока через двумерный материал принципиально меняется из-за наличия баллистического канала. Она предсказывает характерные распределения напряжения, которые можно непосредственно наблюдать с помощью наноразмерных зондов или мультинакольных сканирующих туннельных микроскопов. Это позволяет экспериментально различать баллистические и диссипативные (с потерями) токи, что является решающим шагом к доказательству существования этих экзотических каналов проводимости и их использованию в будущих устройствах.
Впервые исследовательская группа из Университета Кёльна наблюдала захват электрона при распаде технеция-98, изотопа химического элемента технеция (Tc)
Захват электрона — это процесс, при котором атомное ядро «захватывает» электрон из своей внутренней оболочки. Электрон сливается с протоном в ядре, образуя нейтрон, и элемент превращается в другой. Рабочая группа из отдела ядерной химии подтвердила теоретическое предположение, которое существовало десятилетиями.
Результаты способствуют более глубокому пониманию процессов распада технеция и расширяют таблицу нуклидов — «ядерную периодическую таблицу». Исследование было опубликовано под названием «Захват электрона 98Tc» в журнале Physical Review C.
Ещё в 1990-х годах исследователи подозревали, что технеций-98 также может распадаться путём захвата электрона, но доказательств найти не удавалось, поскольку изотоп доступен только в чрезвычайно малых количествах. Для текущего исследования исследовательская группа из Кёльна использовала около трёх граммов технеция-99, который содержит крошечные следы редкого изотопа технеция-98 (около 0,06 микрограмма).
На измерительной станции Clover Института ядерной физики, которая регистрирует характерные гамма-лучи, в течение 17 дней было зафиксировано примерно 40 000 захватов электрона. Успех был достигнут благодаря специально разработанному свинцовому экрану, который почти полностью подавляет интенсивный радиационный фон технеция-99. В результате исследователи впервые смогли чётко обнаружить чрезвычайно редкий сигнал технеция-98.
Измерения показали, что технеций-98 преимущественно распадается на изотоп рутения-98, но примерно в 0,3% случаев он также превращается в молибден-98 путём захвата электрона.
«Для нас это небольшой, но значительный вклад в более глубокое понимание ядерной физики», — говорит руководитель группы доктор Эрик Штруб из химического факультета Университета Кёльна. «Такие точные данные помогают нам лучше понять стабильность и структуру атомных ядер и постепенно дополнить таблицу нуклидов по частям».
Исследование расширяет фундаментальное понимание процессов ядерного распада. В будущей работе команда планирует изучить аналогичные редкие процессы распада в соседних нуклидах, чтобы выявить систематические закономерности в таблице нуклидов. В следующем издании этой карты в поле технеция-98 будет добавлен новый красный угол, чтобы символизировать недавно подтверждённый путь распада.