Hvordan man får elektroner til at opføre sig som en væske

Elektrisk modstand er et simpelt koncept:Snarere som friktion, der bremser en genstand, der ruller på en overflade, modstand bremser strømmen af ​​elektroner gennem et ledende materiale. Men to fysikere har nu fundet ud af, at elektroner nogle gange kan samarbejde for at vende modstanden på hovedet, producerer hvirvler og tilbagestrømning af elektrisk strøm.

Forudsigelsen om "negativ modstand" er blot en af ​​et sæt kontraintuitive og bizarre væskelignende effekter, man støder på under visse eksotiske omstændigheder, involverer systemer af stærkt interagerende partikler i et ark grafen, en todimensionel form for kulstof. Resultaterne er beskrevet i et papir, der udkommer i dag i tidsskriftet Naturfysik , af MIT professor i fysik Leonid Levitov og Gregory Falkovich, en professor ved Israels Weizmann Institute of Science.

Elektroner i grafen bevæger sig på en pænt koordineret måde, på mange måder ligner bevægelsen af ​​viskøse væsker gennem et rør, hvor de er stærkt påvirket af turbulens og hvirvler. Dette skyldes interaktioner, der frembringer en langrækkende strømfeltrespons, helt anderledes end den simple "individualistiske" adfærd, der forventes under almindelige omstændigheder, når elektroner bevæger sig i lige linjer som pinballs, der hopper mellem ionerne, som beskrevet af Ohms lov, siger forskerne.

Begrebet elektronviskositet var blevet foreslået før i teorien, men det havde vist sig svært at teste, fordi ingen havde fundet på en måde at observere sådanne fænomener direkte på. Nu, Levitov og Falkovich siger, at de har fundet ud af et sæt tegn, der kan tjene som en indikator for sådanne kollektive effekter i elektronstrømme.

Dette arbejde er "en bemærkelsesværdig anvendelse af teoretisk indsigt til forudsigelsen af ​​en ny eksperimentelt observerbar effekt, " siger Subir Sachdev, en professor i fysik ved Harvard University, som ikke var involveret i dette arbejde. Han siger, at denne indsigt er "meget betydningsfuld og åbner et nyt kapitel i studiet af elektronstrøm i metaller."

Et benchmark-system

"Der har altid været en slags dikotomi mellem, hvad der er let at gøre i teorien, og hvad der er nemt at gøre i eksperimenter, " siger Levitov. "Der var en søgen efter et ideelt system, som ville være nemt for eksperimentelister at arbejde med og også være et benchmarksystem med stærke interaktioner, der ville vise stærke interaktive fænomener." han siger, grafen leverer mange af de eftertragtede kvaliteter ved et sådant system.

På en grafenoverflade, Levitov siger, "du har elektroner, der opfører sig som relativistiske partikler koblet af interaktioner, der er lang rækkevidde og ret stærke." Med en mulig undtagelse af eksotiske væsker såsom kvark-gluon plasmaer, han siger, grafen kan være tættere på forestillingen om en perfekt "stærkt interagerende væske, "et vigtigt teoretisk begreb i kvantefysik, end noget andet system, vi kender i øjeblikket.

Ladningsbærernes kollektive adfærd i sådanne stærkt interagerende systemer er ret ejendommelig. "Faktisk, det er ikke så forskelligt fra væskemekanik, " siger Levitov. Den måde, væsker bevæger sig på, kan beregnes "med meget lidt viden om, hvordan individuelle atomer i væsken interagerer. Vi bekymrer os ikke så meget om de individuelle bevægelser; det er den kollektive adfærd, der betyder noget i sådanne situationer, han siger.

I grafenmiljøet, kvanteeffekter, som normalt er ubetydelige på skalaer større end individuelle partiklers, spille en dominerende rolle, han siger. I denne indstilling, "Vi viser, at [den måde ladningsbærere bevæger sig på] har en kollektiv adfærd, der ligner andre stærkt interagerende væsker, som vand."

Hvordan opdager man det?

Men selvom det er sandt i teorien, han siger, "spørgsmålet er, selvom vi har det" - dvs. denne væskelignende adfærd - "hvordan opdager vi det? I modsætning til almindelige væsker, hvor du direkte kan spore flowet ved at sætte nogle perler i det, for eksempel, i dette system har vi ikke en måde at se strømmen direkte på." Men på grund af den todimensionelle struktur af grafen, mens elektroner bevæger sig gennem materialet "kan vi få information fra elektriske målinger" udført udefra, hvor det er muligt at placere sonder på et hvilket som helst sted på arket.

Den nye tilgang bygger på det faktum, at "hvis du har et tyktflydende flow, du forventer, at de forskellige dele af væsken trækker på hinanden og producerer hvirvler. De vil skabe et flow, der vil trække på nabopartikler og vil drive en hvirvel, " siger Levitov. Specifikt, et direkte flow i midten af ​​et grafenbånd vil blive ledsaget af hvirvler, der udvikler sig langs siderne. I de boblebade, elektroner kan faktisk strømme i den modsatte retning af det påførte elektriske felt - hvilket resulterer i, hvad fysikerne omtaler som negativ modstand.

Mens boblebadene i sig selv ikke kan observeres direkte, elektronstrømmens bagudgående bevægelse i visse dele af materialet kan måles og sammenlignes med de teoretiske forudsigelser.

Mens Levitov og Falkovich ikke personligt har udført sådanne eksperimenter, Levitov siger, at nogle nylige gådefulde fund synes at passe til det forudsagte mønster. I et eksperiment, der netop er blevet rapporteret, han siger "forskere så noget lignende, hvor spændingen på siden bliver negativ. Det er meget fristende at sige", at det, de så, er en manifestation af de fænomener, der er forudsagt af dette værk.

Ikke kun analogi

Sammenligningen af ​​elektronadfærd i grafen med væskedynamik "er ikke kun en analogi, men en direkte korrespondance, " siger Levitov. Men der er vigtige forskelle, herunder det faktum, at denne væske bærer elektrisk ladning, så det opfører sig ikke præcis som vand, der flyder i et rør, men snarere på en måde, der ligner nogle plasmaer, som i det væsentlige er skyer af ladede partikler.

Fordi dette er et tidligt arbejde, Levitov siger, det er for tidligt at sige, om det nogensinde har nogen praktiske anvendelser. Men en overraskende konsekvens af dette arbejde er, at varmetransport kan kobles stærkt til ladetransport. Det er, varme kan ride oven på ladningsstrømmen og forplante sig på en bølgelignende måde meget hurtigere end under almindelige forhold - måske så meget som 10 til 100 gange hurtigere. denne adfærd, hvis det opnås, kan blive udnyttet på et tidspunkt, måske i sensorenheder med meget hurtige svartider, spekulerer han.

Andre Geim, en professor i kondenseret stofs fysik ved University of Manchester i Storbritannien, som ikke var involveret i dette arbejde, siger, "Det er et genialt stykke teori, hvilket stemmer meget godt overens med vores seneste eksperimentelle resultater." Disse eksperimenter, han siger, "detekterede hvirvlerne forudsagt af Levitovs gruppe og viste, at elektronvæsken i grafen var 100 gange mere tyktflydende end honning, i modsætning til den universelle tro på, at elektroner opfører sig som en gas."

Geim tilføjer, at grafen bliver mere og mere brugt i en række forskellige applikationer, og siger, "Elektroniske ingeniører kan ikke rigtig bruge materialet uden en forståelse af dets elektroniske egenskaber. Hvorvidt dine elektroner bevæger sig som kugler eller svømmer i sirup og skaber boblebade gør naturligvis en kæmpe forskel."

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.