Nyopdaget fænomen accelererer elektroner, når de går ind i en viskøs tilstand

En ny opdagelse fra fysikere ved MIT og i Israel viser, at under visse specialiserede forhold, elektroner kan hurtigere gennem en smal åbning i et stykke metal lettere end traditionel teori siger er muligt.

Denne "superballistiske" strømning ligner opførselen af ​​gasser, der strømmer gennem en indsnævret åbning, men det foregår i en kvantemekanisk elektronvæske, siger MIT fysikprofessor Leonid Levitov, der er seniorforfatter til et papir, der beskriver det fund, der vises i denne uge i Proceedings of the National Academy of Sciences .

I disse indsnævrede gange, hvad enten det drejer sig om gasser, der passerer gennem et rør, eller elektroner, der bevæger sig gennem en sektion af metal, der indsnævres til et punkt, det viser sig, at jo flere, jo bedre:Store bundter af gasmolekyler, eller store bundter af elektroner, bevæge sig hurtigere end mindre antal, der passerer gennem den samme flaskehals.

Adfærden virker paradoksal. Det er, som om en flok mennesker, der forsøger at presse sig gennem en døråbning, på én gang finder ud af, at de kan komme igennem hurtigere end én person, der går alene og uhindret igennem. Men videnskabsmænd har vidst i næsten et århundrede, at det er præcis, hvad der sker med gasser, der passerer gennem en lille åbning, og adfærden kan forklares gennem enkle, grundlæggende fysik, siger Levitov.

I en passage af en given størrelse, hvis der er få gasmolekyler, de kan rejse uhindret i lige linjer. Det betyder, at hvis de bevæger sig tilfældigt, de fleste af dem vil hurtigt ramme væggen og hoppe af, miste noget af deres energi til væggen i processen og dermed bremse, hver gang de rammer. Men med et større parti af molekyler, de fleste af dem vil støde ind i andre molekyler oftere, end de vil ramme væggene. Kollisioner med andre molekyler er "tabsfri, "da den samlede energi af de to partikler, der kolliderer, er bevaret, og der forekommer ingen generel afmatning. "Molekyler i en gas kan opnå gennem 'samarbejde', hvad de ikke kan opnå individuelt, " han siger.

Når tætheden af ​​molekyler i en passage stiger, han forklarer, "Du når et punkt, hvor det hydrodynamiske tryk, du skal bruge for at presse gassen igennem, falder, selvom partikeltætheden stiger." Kort sagt, hvor mærkeligt det end kan virke, trængslen får molekylerne til at accelerere.

Et lignende fænomen, forskerne rapporterer nu, styrer elektronernes adfærd, når de styrter gennem et smalt stykke metal, hvor de bevæger sig i en væskelignende strøm.

Resultatet er, at gennem en tilstrækkelig snæver, punktlignende indsnævring i et metal, elektroner kan strømme med en hastighed, der overstiger, hvad der var blevet betragtet som en fundamental grænse, kendt som Landauers ballistiske grænse. På grund af dette, holdet har døbt den nye effekt "superballistisk" flow. Dette repræsenterer et stort fald i metallets elektriske modstand - selvom det er meget mindre af et fald, end hvad der ville være nødvendigt for at producere nulmodstanden i superledende metaller. Imidlertid, i modsætning til superledning, som kræver ekstremt lave temperaturer, det nye fænomen kan finde sted selv ved stuetemperatur og kan dermed være langt nemmere at implementere for anvendelser i elektroniske enheder.

Faktisk, fænomenet stiger faktisk i takt med at temperaturen stiger. I modsætning til superledning, Levitov siger, superballistisk flow "assisteres af temperatur, snarere end at blive hindret af det."

Gennem denne mekanisme, Levitov siger, "vi kan overvinde denne grænse, som alle troede var en grundlæggende grænse for, hvor høj ledningsevnen kunne være. Vi har vist, at man kan gøre det bedre end det."

Han siger, at selvom netop dette papir er rent teoretisk, andre hold har allerede bevist deres grundlæggende forudsigelser eksperimentelt. Mens speedup observeret i strømmende gasser i det analoge tilfælde kan opnå en tidoblet eller større speedup, det mangler at se, om der kan opnås forbedringer af den størrelsesorden for elektrisk ledningsevne. Men selv beskedne reduktioner i modstanden i nogle elektroniske kredsløb kan være en væsentlig forbedring, han siger.

"Dette arbejde er forsigtigt, elegant, og overraskende – alle kendetegnene ved forskning af meget høj kvalitet, " siger David Goldhaber-Gordon, en professor i fysik ved Stanford University, som ikke var involveret i denne forskning. "I videnskaben, Jeg føler, at fænomener, der forvirrer vores intuitioner, altid er nyttige til at strække vores følelse af, hvad der er muligt. Her, ideen om, at flere elektroner kan passe gennem en blænde, hvis elektronerne afbøjer hinanden i stedet for at bevæge sig frit og uafhængigt, er ret kontraintuitiv, faktisk det modsatte af, hvad vi er vant til. Det er især spændende, at Levitov og kolleger finder, at ledningsevnen i sådanne systemer følger en så simpel regel."

Mens dette arbejde var teoretisk, Goldhaber-Gordon tilføjer, "At teste Levitovs enkle og slående forudsigelser eksperimentelt vil være virkelig spændende og plausibelt at opnå i grafen. … Forskere har forestillet sig at bygge nye typer elektroniske kontakter baseret på ballistisk elektronstrøm. Levitovs teoretiske indsigt, hvis valideret eksperimentelt, ville være yderst relevant for denne idé:Superballistisk flow kunne give disse switches mulighed for at yde bedre end forventet (eller kunne vise, at de ikke vil fungere som håbet)."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.