Fysikere forestiller sig, at elektroner flyder som vand for første gang

Fysikere ved Weizmann Institute of Science i Israel har afbildet elektroner, der flyder tyktflydende gennem en nanoenhed, ligesom vand, der strømmer gennem et rør. Længe forudsagt, men først nu visualiseret for første gang, denne mærkelige nye adfærd for elektroner har vigtige konsekvenser for fremtidige elektroniske enheder.

Fra brusende bølger til hvirvlende hvirvler, strømmen af ​​en væske kan være ekstremt rig. Sådanne forskellige fænomener er resultatet af de mange kollisioner, der opstår mellem de partikler, der udgør en væske, og er beskrevet af hydrodynamikkens fysik. Imidlertid, på trods af at den er negativt ladet, elektroner strømmer normalt gennem en leder som en gas på en randomiseret måde i det væsentlige uden at frastøde hinanden. Dette skyldes, at de fleste ledere er lavet af materialer, der er meget uordnede, og elektronerne, der strømmer indenfor, kolliderer hyppigere med de mange urenheder og ufuldkommenheder. At få elektroner til at flyde som en væske, man har brug for en mere avanceret dirigent, for eksempel, grafen - en et atom-tyk plade af kulstof, som kan gøres ekstraordinært rent. "Teorier tyder på, at flydende elektroner kan udføre seje bedrifter, som deres ballistiske eller diffusive modstykker ikke kan. Men for at få et klart bevis for, at elektroner faktisk kan danne en flydende tilstand, vi ønskede at visualisere deres flow direkte, " sagde Prof. Shahal Ilani, leder af Weizmann-teamet i afdelingen for kondenseret stoffysik.

At visualisere hydrodynamisk elektronstrøm i et materiale som grafen er ikke ligetil, selvom, da det kræver en speciel teknik, der samtidig er kraftig nok til at kigge ind i et materiale, men alligevel blid nok til at undgå at forstyrre elektronstrømmen. Weizmann-teamet skabte en sådan teknik, som de for nylig udgav i Natur nanoteknologi . De producerede en nanoskala-detektor bygget af en kulstof-nanorørtransistor, der kan afbilde egenskaberne af strømmende elektroner med hidtil uset følsomhed. "Vores teknik er mindst 1000 gange mere følsom end alternative metoder, som sætter os i stand til at afbilde fænomener, som tidligere kun kunne studeres indirekte, " sagde Dr. Joseph Sulpizio, fra Weizmann.

I deres nye avis, nu udgivet i Natur , Weizmann-forskerne anvendte deres nye billedbehandlingsteknik på avancerede grafenanordninger fremstillet af gruppen af ​​prof. Andre Geim ved University of Manchester. Disse enheder er formet til kanaler, der leder de strømmende elektroner, svarende til den måde et rør styrer vandstrømmen. Og ligesom vandet strømmer gennem et rør, elektronerne i grafen blev observeret flyde hurtigere i midten af ​​kanalerne og langsommere ved væggene, som er kendetegnende for hydrodynamisk flow.

Dette arbejde viser, at mønstrene af en konventionel væske kan efterlignes af elektroner. Dette kan vise sig at være en fordel for at skabe nye typer elektroniske enheder, inklusive laveffektsanordninger, hvor den hydrodynamiske strømning sænker den elektriske modstand. "Computercentre og forbrugerelektronik fortærer en stadigt stigende mængde energi, og i lyset af klimaændringer, det er bydende nødvendigt at finde måder at få elektroner til at flyde med mindre modstand, " sagde Dr. Lior Ella fra Weizmann.