Релятивистский электрический потенциал вблизи неподвижной прямой углеродной нанотрубки конечной длины со стационарным током

  • Николай Александрович Поклонский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-0799-6950
  • Иван Андреевич Галимский Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-4966-4655
  • Сергей Александрович Вырко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0002-1145-1099
  • Анатолий Тимофеевич Власов Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь https://orcid.org/0000-0003-3381-1929
  • Нгуен Нгок Хиеу Институт исследований и разработок высоких технологий, Университет Дуй Тан, Куанг Трунг, 03, 550000, г. Дананг, Вьетнам https://orcid.org/0000-0001-5721-960X
DOI: https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-20-25

Аннотация

Исходя из потенциалов Лиенара – Вихерта для равномерно и прямолинейно движущегося электрона, исследуется релятивистское электрическое поле вблизи плотно заполненной атомами калия однослойной углеродной нанотрубки (K@CNT) со стационарным электрическим током внутри нее. Релятивистское электрическое поле в лабораторной системе координат возникает (вследствие преобразований Лоренца) только для нанотрубки конечной длины. Это есть результат суммирования кулоновских полей неподвижных положительно заряженных ионных остовов калия и равного им числа создающих ток баллистически движущихся валентных электронов калия. Показано, что величина отрицательного релятивистского электрического потенциала K@CNT в перпендикулярном нанотрубке направлении не зависит от направления плотности тока. Установлена взаимосвязь между радиусом K@CNT и числом открытых каналов баллистического переноса электронов по атомам калия. Используется формула Ландауэра, связывающая число открытых квазиодномерных каналов и электрическую проводимость на постоянном токе. Впервые получены аналитические формулы для зависимости релятивистского потенциала вблизи K@CNT от электрического напряжения между концами нанотрубки и ее радиуса в пределе нулевой абсолютной температуры. Рассмотрен случай, когда расстояние от точки регистрации релятивистского потенциала над центром нанотрубки много меньше ее длины. Для нанотрубки диаметром 2 нм и длиной 100 мкм при напряженности внешнего электрического поля 5 мВ/мкм величина релятивистского потенциала составляет примерно 2 мкВ. Современные методы измерений позволяют зарегистрировать предсказываемый релятивистский потенциал.

Биографии авторов

Николай Александрович Поклонский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

доктор физико-математических наук, профессор; профессор кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Иван Андреевич Галимский, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

студент физического факультета. Научный руководитель – Н. А. Поклонский

Сергей Александрович Вырко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Анатолий Тимофеевич Власов, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

кандидат физико-математических наук; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории физики электронных материалов кафедры физики полупроводников и наноэлектроники физического факультета

Нгуен Нгок Хиеу, Институт исследований и разработок высоких технологий, Университет Дуй Тан, Куанг Трунг, 03, 550000, г. Дананг, Вьетнам

кандидат физико-математических наук; директор Центра материаловедения

Литература

  1. Chen C, Ye C. Metal nanowires. In: Levy D, Castellón E, editors. Transparent conductive materials: materials, synthesis, characterization, applications. Weinheim: Wiley; 2018. p. 105–131. DOI: 10.1002/9783527804603.ch2_3.
  2. Garnett E, Mai L, Yang P. Introduction: 1D nanomaterials/nanowires. Chemical Reviews. 2019;119(15):8955–8957. DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00423.
  3. Poklonski NA, Vyrko SA, Siahlo AI, Poklonskaya ON, Ratkevich SV, Hieu NN, et al. Synergy of physical properties of lowdimensional carbon-based systems for nanoscale device design. Materials Research Express. 2019;6(4):042002. DOI: 10.1088/2053-1591/aafb1c.
  4. Goktas NI, Wilson P, Ghukasyan A, Wagner D, McNamee S, LaPierre RR. Nanowires for energy: a review. Applied Physics Reviews. 2018;5(4):041305. DOI: 10.1063/1.5054842.
  5. Hong S, Lee H, Lee J, Kwon J, Han S, Suh YD, et al. Highly stretchable and transparent metal nanowire heater for wearable electronics applications. Advanced Materials. 2015;27(32):4744–4751. DOI: 10.1002/adma.201500917.
  6. Suzuki S, Maeda F, Watanabe Y, Ogino T. Electronic structure of single-walled carbon nanotubes encapsulating potassium. Physical Review B. 2003;67(11):115418. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.115418.
  7. Savin AV, Savina OI. The structure and dynamics of the chains of hydrogen bonds of hydrogen fluoride molecules inside carbon nanotubes. Physics of the Solid State. 2020;62(11):2217–2223. DOI: 10.1134/S1063783420110281.
  8. de Jong MJM. Transition from Sharvin to Drude resistance in high-mobility wires. Physical Review B. 1994;49(11):7778–7781. DOI: 10.1103/PhysRevB.49.7778.
  9. Lifshitz TM, Polyanskii OYu, Romanovtsev VV. Experimental observation of configuration EMF’s. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters. 1973;18(7):247–249. URL: http://www.jetpletters.ac.ru/ps/1567/article_24009.shtml.
  10. Martinson ML, Nedospasov AV. On the charge density inside a conductor carrying a current. Physics – Uspekhi. 1993;36(1): 23–24. DOI: 10.1070/PU1993v036n01ABEH002062.
  11. Kushwaha MS. The quantum pinch effect in semiconducting quantum wires: a bird’s-eye view. Modern Physics Letters B. 2016;30(4):1630002. DOI: 10.1142/S0217984916300027.
  12. Jackson JD. Classical electrodynamics. New York: Wiley; 1999. xxi, 808 p.
  13. Panofsky WKH, Phillips M. Classical electricity and magnetism. New York: Dover; 2005. xiv, 494 p.
  14. Feinberg EL. Special theory of relativity: how good-faith delusions come about. Physics – Uspekhi. 1997;40(4):433–435. DOI: 10.1070/PU1997v040n04ABEH001558.
  15. Aleksandrov EB, Aleksandrov PA, Zapasskii VS, Korchuganov VN, Stirin AI. Direct experimental demonstration of the second special relativity postulate: the speed of light is independent of the speed of the source. Physics – Uspekhi. 2011;54(12):1272–1278. DOI: 10.3367/UFNe.0181.201112l.1345.
  16. Mityanok VV, Poklonskii NA. Relativistic electrostatic field of a direct-current conductor. Technical Physics. 1993;38(1):49–50.
  17. Pelzer H, Whitehead S. Interaction between currents as a relativistic second order effect of electrostatic forces. British Journal of Applied Physics. 1951;2(11):330–331. DOI: 10.1088/0508-3443/2/11/106.
  18. Cullwick EG. Reply to interaction between currents as a relativistic second order effect of electrostatic forces. British Journal of Applied Physics. 1951;2(11):331–332. DOI: 10.1088/0508-3443/2/11/107.
  19. Baker DA. Second-order electric field due to a conduction current. American Journal of Physics. 1964;32(2):153–157. DOI: 10.1119/1.1970143.
  20. Poklonskii NA, Kislyakov EF, Fedoruk GG, Vyrko SA. Electronic structure model of a metal-filled carbon nanotube. Physics of the Solid State. 2000;42(10):1966–1971.
  21. Imry Y, Landauer R. Conductance viewed as transmission. Reviews of Modern Physics. 1999;71(2):S306–S312. DOI: 10.1103/RevModPhys.71.S306.
  22. Bagraev NT, Ivanov VK, Klyachkin LE, Malyarenko AM, Shelykh IA. Ballistic conductance of a quantum wire at finite temperatures. Semiconductors. 2000;34(6):712–716. DOI: 10.1134/1.1188059.
  23. Kittel C. Introduction to solid state physics. New York: Wiley; 2005. xix, 680 p.
Опубликован
2021-02-09
Ключевые слова: углеродная нанотрубка, щелочной металл, постоянный ток, электронная проводимость, релятивистский электростатический потенциал, низкие температуры
Поддерживающие организации Работа поддержана государственной программой научных исследований Республики Беларусь «Конвергенция-2025» и Белорусским республиканским фондом фундаментальных исследований (грант № Ф20Р-301). Н. Н. Хиеу благодарит за поддержку Вьетнамский национальный фонд развития науки и технологий (грант № 103.01-2017.309).
Как цитировать
Поклонский, Н. А., Галимский, И. А., Вырко, С. А., Власов, А. Т., & Хиеу, Н. Н. (2021). Релятивистский электрический потенциал вблизи неподвижной прямой углеродной нанотрубки конечной длины со стационарным током. Журнал Белорусского государственного университета. Физика, 1, 20-25. https://doi.org/10.33581/2520-2243-2021-1-20-25
Выпуск
№ 1 (2021): Журнал Белорусского государственного университета. Физика
Раздел
Наноматериалы и нанотехнологии

Copyright (c) 2021 Журнал Белорусского государственного университета. Физика

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).