Et metal, der opfører sig som vand

Grafen kommer til at ændre verden - eller det er vi blevet fortalt.

Siden opdagelsen for ti år siden, videnskabsmænd og teknologiguruer har hyldet grafen som vidundermaterialet, der kunne erstatte silicium i elektronik, øge effektiviteten af ​​batterier, berøringsskærmes holdbarhed og ledningsevne og baner vejen for billig termisk elektrisk energi, blandt mange andre ting.

Det er et atom tykt, stærkere end stål, hårdere end diamant og et af de mest ledende materialer på jorden.

Men, flere udfordringer skal overvindes, før grafenprodukter bringes på markedet. Forskere forsøger stadig at forstå den grundlæggende fysik i dette unikke materiale. Også, det er meget udfordrende at lave og endnu sværere at lave uden urenheder.

I et nyt blad udgivet i Videnskab , forskere ved Harvard og Raytheon BBN Technology har fremmet vores forståelse af grafens grundlæggende egenskaber, for første gang observerer elektroner i et metal, der opfører sig som en væske.

For at gøre denne observation, holdet forbedrede metoder til at skabe ultra-ren grafen og udviklede en ny måde at måle dens varmeledningsevne på. Denne forskning kan føre til nye termoelektriske enheder samt give et modelsystem til at udforske eksotiske fænomener som sorte huller og højenergiplasmaer.

Denne forskning blev ledet af Philip Kim, professor i fysik og anvendt fysik ved John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

En elektron super motorvej

I alm. tredimensionelle metaller, elektroner vekselvirker næsten ikke med hinanden. Men grafen er todimensionelt, honeycomb struktur fungerer som en elektron supermotorvej, hvor alle partiklerne skal rejse i samme bane. Elektronerne i grafen fungerer som masseløse relativistiske objekter, nogle med positiv ladning og nogle med negativ ladning. De bevæger sig med en utrolig hastighed - 1/300 af lysets hastighed - og er blevet forudsagt at kollidere med hinanden ti billioner gange i sekundet ved stuetemperatur. Disse intense interaktioner mellem ladningspartikler er aldrig blevet observeret i et almindeligt metal før.

Holdet skabte en ultra-ren prøve ved at lægge det ét-atom tykke grafenark ind mellem snesevis af lag af en elektrisk isolerende perfekt gennemsigtig krystal med en lignende atomstruktur af grafen.

"Hvis du har et materiale, der er et atom tykt, det vil virkelig blive påvirket af sit miljø, " sagde Jesse Crossno, en kandidatstuderende i Kim Lab og førsteforfatter til papiret. "Hvis grafen er oven på noget, der er groft og uordnet, det kommer til at forstyrre, hvordan elektronerne bevæger sig. Det er virkelig vigtigt at skabe grafen uden indblanding fra omgivelserne."

Teknikken blev udviklet af Kim og hans samarbejdspartnere ved Columbia University, før han flyttede til Harvard i 2014 og er nu blevet perfektioneret i hans laboratorium på SEAS.

Næste, holdet lavede en slags termisk suppe af positivt ladede og negativt ladede partikler på overfladen af ​​grafen, og observerede, hvordan disse partikler flød som termiske og elektriske strømme.

Det, de observerede, fløj i øjnene af alt, hvad de vidste om metaller.

Et sort hul på en chip

Det meste af vores verden - hvordan vand flyder (hydrodynamik) eller hvordan en kurvekugle kurver - er beskrevet af klassisk fysik. Meget små ting, som elektroner, er beskrevet af kvantemekanik, mens meget store og meget hurtige ting, som galakser, er beskrevet af relativistisk fysik, pioneret af Albert Einstein.

Det er notorisk svært at kombinere disse fysiklove, men der er ekstreme eksempler, hvor de overlapper hinanden. Højenergisystemer som supernovaer og sorte huller kan beskrives ved at forbinde klassiske teorier om hydrodynamik med Einsteins relativitetsteorier.

Men det er svært at køre et eksperiment på et sort hul. Indtast grafen.

Når de stærkt interagerende partikler i grafen blev drevet af et elektrisk felt, de opførte sig ikke som individuelle partikler, men som en væske, der kunne beskrives ved hydrodynamik.

"I stedet for at se, hvordan en enkelt partikel blev påvirket af en elektrisk eller termisk kraft, vi kunne se den bevarede energi, da den flød hen over mange partikler, som en bølge gennem vand, " sagde Crossno.

"Fysik opdagede vi ved at studere sorte huller og strengteori, vi ser i grafen, " sagde Andrew Lucas, medforfatter og kandidatstuderende med Subir Sachdev, Herchel Smith professor i fysik ved Harvard. "Dette er det første modelsystem af relativistisk hydrodynamik i et metal."

Bevæger sig fremad, en lille chip af grafen kunne bruges til at modellere den væskelignende opførsel af andre højenergisystemer.

Industrielle implikationer

Så vi ved nu, at stærkt interagerende elektroner i grafen opfører sig som en væske - hvordan fremmer det de industrielle anvendelser af grafen?

Først, for at observere det hydrodynamiske system, holdet havde brug for at udvikle en præcis måde at måle, hvor godt elektroner i systemet transporterer varme. Det er meget svært at gøre, sagde co-PI Dr. Kin Chung Fong, videnskabsmand med Raytheon BBN Technology.

Materialer leder varme på to måder:gennem vibrationer i atomstrukturen eller gitteret; og båret af elektronerne selv.

"Vi var nødt til at finde en smart måde at ignorere varmeoverførslen fra gitteret og kun fokusere på, hvor meget varme der transporteres af elektronerne, " sagde Fong.

For at gøre det, holdet blev til larm. Ved begrænset temperatur, elektronerne bevæger sig tilfældigt:jo højere temperatur, jo mere støjende elektroner. Ved at måle elektronernes temperatur til tre decimaler, holdet var i stand til præcist at måle elektronernes termiske ledningsevne.

"At konvertere termisk energi til elektriske strømme og omvendt er notorisk svært med almindelige materialer, sagde Lucas. Men i princippet, med en ren prøve af grafen er der måske ingen grænse for, hvor god en enhed du kan lave."