Fysikere finder en ny måde at skubbe elektroner rundt på

Når man bevæger sig gennem et ledende materiale i et elektrisk felt, elektroner har en tendens til at følge den mindste modstands vej - som løber i retning af dette felt.

Men nu har fysikere ved MIT og University of Manchester fundet en uventet anderledes adfærd under meget specialiserede forhold - en, der kan føre til nye typer transistorer og elektroniske kredsløb, der kan vise sig meget energieffektive.

De har fundet ud af, at når et ark grafen - en todimensional række af rent kulstof - placeres oven på et andet todimensionelt materiale, elektroner bevæger sig i stedet sidelæns, vinkelret på det elektriske felt. Dette sker selv uden påvirkning af et magnetfelt - den eneste anden kendte måde at inducere en sådan sidelæns strømning på.

Hvad mere er, to separate strømme af elektroner ville strømme i modsatte retninger, både på tværs af feltet, udligner hinandens elektriske ladninger for at producere en "neutral, ladefri strøm, " forklarer Leonid Levitov, en MIT-professor i fysik og en seniorforfatter til et papir, der beskriver disse resultater i denne uge i tidsskriftet Videnskab .

Den nøjagtige vinkel på denne strøm i forhold til det elektriske felt kan styres præcist, siger Levitov. Han sammenligner det med en sejlbåd, der sejler vinkelret på vinden, dens bevægelsesvinkel styres ved at justere sejlets position.

Levitov og medforfatter Andre Geim i Manchester siger, at dette flow kunne ændres ved at anvende en lille spænding på porten, lader materialet fungere som en transistor. Strømme i disse materialer, være neutral, måske ikke spilder meget af deres energi som varme, som det sker i konventionelle halvledere - hvilket potentielt gør de nye materialer til et mere effektivt grundlag for computerchips.

"Det er en udbredt opfattelse, at nye, ukonventionelle tilgange til informationsbehandling er nøglen til fremtidens hardware, " siger Levitov. "Denne tro har været drivkraften bag en række vigtige seneste udviklinger, især spintronik" - hvor elektronernes spin, ikke deres elektriske ladning, bærer information.

MIT og Manchester forskerne har demonstreret en simpel transistor baseret på det nye materiale, siger Levitov.

"Det er en ret fascinerende effekt, og det rammer et meget blødt punkt i vores forståelse af kompleks, såkaldte topologiske materialer, " siger Geim. "Det er meget sjældent at støde på et fænomen, der bygger bro over materialevidenskab, partikelfysik, relativitet, og topologi."

I deres eksperimenter, Levitov, Geim, og deres kolleger lagde grafenen på et lag bornitrid - et todimensionelt materiale, der danner en sekskantet gitterstruktur, som grafen gør. Sammen, de to materialer danner et supergitter, der opfører sig som en halvleder.

Dette supergitter får elektroner til at erhverve en uventet drejning - som Levitov beskriver som "en indbygget hvirvelstrøm" - der ændrer deres bevægelsesretning, ligesom en kugles spin kan krumme dens bane.

Elektroner i grafen opfører sig som masseløse relativistiske partikler. Den observerede effekt, imidlertid, har ingen kendt analog i partikelfysik, og udvider vores forståelse af, hvordan universet fungerer, siger forskerne.

Hvorvidt denne effekt kan udnyttes til at reducere energiforbruget af computerchips er stadig et åbent spørgsmål, Levitov indrømmer. Dette er et tidligt fund, og mens der helt klart er mulighed for at reducere energitab til varme lokalt, andre dele af et sådant system kan opveje disse gevinster. "Dette er et fascinerende spørgsmål, der mangler at blive løst, " siger Levitov.

Francisco Guinea, en forskningsprofessor ved Spaniens Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, som ikke var forbundet med denne forskning, kalder den tilgang, som dette hold har taget, "ny og fantasifuld. … Karakteriseringen af ​​disse strømninger i grafen er et meget vigtigt fremskridt i forståelsen af ​​todimensionelle materialer."

Arbejdet rummer et stort potentiale, Guinea tilføjer, fordi "todimensionelle materialer med særlige topologiske egenskaber er grundlaget for nye teknologier til manipulation af kvanteinformation."

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.