Forskere udforsker en hydrodynamisk halvleder, hvor elektroner flyder som vand

Du vil normalt ikke blande elektricitet og vand, men elektricitet, der opfører sig som vand, har potentialet til at forbedre elektroniske enheder. Nyligt arbejde fra grupperne af ingeniør James Hone ved Columbia og teoretisk fysiker Shaffique Adam ved National University of Singapore og Yale-NUS bygger ny forståelse af denne usædvanlige hydrodynamiske adfærd, der ændrer nogle gamle antagelser om metallers fysik. Undersøgelsen blev offentliggjort den 15. april i tidsskriftet Science Advances .

I arbejdet studerede holdet adfærden af ​​en ny halvleder, hvor negativt ladede elektroner og positivt ladede "huller" samtidig bærer strøm. De fandt ud af, at denne strøm kan beskrives med blot to "hydrodynamiske" ligninger:en, der beskriver, hvordan elektronerne og hullerne glider mod hinanden, og en anden for, hvordan alle ladningerne bevæger sig sammen gennem materialets atomgitter.

"Simple formler betyder normalt simpel fysik," sagde Hone, som var overrasket, da Adams postdoc, Derek Ho, byggede den nye model, som udfordrer antagelser, som mange fysikere lærer om metaller tidligt i deres uddannelse. "Vi blev alle lært, at i et normalt metal er alt, hvad du virkelig behøver at vide, hvordan en elektron hopper af forskellige typer ufuldkommenheder," sagde Hone. "I dette system gælder de grundlæggende modeller, vi lærte om i vores første kurser, bare ikke."

I metalledninger, der fører en elektrisk strøm, er der mange bevægelige elektroner, der stort set ignorerer hinanden, som ryttere på en overfyldt metro. Når elektronerne bevæger sig, løber de uundgåeligt ind i enten fysiske defekter i materialet, der bærer dem, eller vibrationer, der får dem til at spredes. Strøm sænker farten, og energi går tabt. Men i materialer, der har et mindre antal elektroner, interagerer disse elektroner faktisk stærkt med hinanden og vil strømme sammen, som vand gennem et rør. De støder stadig på de samme ufuldkommenheder, men deres adfærd er helt anderledes:I stedet for at tænke på, at individuelle elektroner spredes tilfældigt, skal du nu behandle hele sættet af elektroner (og huller) sammen, sagde Hone.

For eksperimentelt at teste deres simple nye model for hydrodynamisk ledningsevne, studerede holdet tolagsgrafen - et materiale lavet af to atomtynde plader af kulstof. Hones ph.d. studerende Cheng Tan målte elektrisk ledningsevne fra stuetemperatur ned til næsten det absolutte nul, mens han varierede tætheden af ​​elektroner og huller. Tan og Ho fandt et fremragende match mellem modellen og deres resultater. "Det er slående, at eksperimentelle data stemmer så meget bedre overens med hydrodynamisk teori end gammel "standardteori" om ledningsevne," sagde Ho.

Modellen fungerede, når materialet blev indstillet på en måde, der tillader ledningsevne at blive tændt og slukket, og den hydrodynamiske adfærd var fremtrædende selv ved stuetemperatur. "Det er virkelig bemærkelsesværdigt, at tolagsgrafen er blevet undersøgt i over 15 år, men indtil nu har vi ikke forstået dets ledningsevne ved stuetemperatur korrekt," sagde Hone, som også er Wang Fong-Jen-professor og formand for Institut for Maskinteknik. hos Columbia Engineering.

Lav-modstand, stuetemperatur ledningsevne kunne have meget praktiske anvendelser. Eksisterende superledende materialer, som leder elektricitet uden modstand, skal holdes utrolig kolde. Materialer, der er i stand til hydrodynamisk flow, kan hjælpe forskere med at bygge mere effektive elektroniske enheder - kendt som viskøs elektronik - som ikke kræver så intens og dyr afkøling.

På et mere grundlæggende niveau bekræftede holdet, at glidebevægelsen mellem elektroner og huller ikke er specifik for grafen, sagde Adam, lektor fra Institut for Materialevidenskab og Engineering ved National University of Singapore og Division of Science ved Yale. -NUS College. Fordi denne relative bevægelse er universel, burde forskere være i stand til at finde den i andre materialer - især da forbedring af fremstillingsteknikker fortsætter med at give renere og renere prøver, som Hone Lab har fokuseret på at udvikle i det sidste årti. I fremtiden kan forskere også designe specifikke geometrier for yderligere at forbedre ydeevnen af ​​enheder bygget til at drage fordel af denne unikke vandlignende kollektive adfærd. + Udforsk yderligere

Forskere rykker tættere på at kontrollere todimensionel grafen