Elektroner, der flyder som væske i grafen, starter en ny bølge af fysik

En ny forståelse af ledende materialers fysik er blevet afsløret af forskere, der observerer den usædvanlige bevægelse af elektroner i grafen.

Grafen er mange gange mere ledende end kobber takket være, delvis, til dens todimensionelle struktur. I de fleste metaller, ledningsevnen er begrænset af krystalufuldkommenheder, som får elektroner til ofte at spredes som billardkugler, når de bevæger sig gennem materialet.

Nu, observationer i eksperimenter ved National Graphene Institute har givet væsentlig forståelse for elektronstrømmenes ejendommelige adfærd i grafen, som skal overvejes i designet af fremtidige nano-elektroniske kredsløb.

I nogle materialer af høj kvalitet, som grafen, elektroner kan rejse mikronafstande uden spredning, forbedring af ledningsevnen i størrelsesordener. Dette såkaldte ballistiske regime, pålægger den maksimalt mulige konduktans for ethvert normalt metal, som er defineret af Landauer-Buttiker formalismen.

Vises i dag i Naturfysik , forskere ved University of Manchester, i samarbejde med teoretiske fysikere ledet af professor Marco Polini og professor Leonid Levitov, vise, at Landauers fundamentale grænse kan overtrædes i grafen. Endnu mere fascinerende er den mekanisme, der er ansvarlig for dette.

Sidste år, et nyt felt inden for faststoffysik kaldet 'elektronhydrodynamik' skabte enorm videnskabelig interesse. Tre forskellige eksperimenter, herunder en udført af The University of Manchester, påvist, at ved visse temperaturer, elektroner kolliderer med hinanden så ofte, at de begynder at flyde kollektivt som en viskøs væske.

Den nye forskning viser, at denne viskøse væske er endnu mere ledende end ballistiske elektroner. Resultatet er temmelig kontraintuitivt, da spredningsbegivenheder typisk virker til at sænke et materiales ledningsevne, fordi de hæmmer bevægelse i krystallen. Imidlertid, når elektroner kolliderer med hinanden, de begynder at arbejde sammen og letter strømmen.

Dette sker, fordi nogle elektroner forbliver nær krystalkanterne, hvor momentumdissipationen er højest, og bevæger sig ret langsomt. På samme tid, de beskytter naboelektroner mod at kollidere med disse områder. Følgelig, nogle elektroner bliver superballistiske, når de bliver ført gennem kanalen af ​​deres venner.

Sir Andre Geim sagde:"Vi ved fra skolen, at yderligere lidelse altid skaber ekstra elektrisk modstand. I vores tilfælde, lidelse forårsaget af elektronspredning reducerer faktisk snarere end at øge modstanden. Dette er unikt og ret kontraintuitivt:Elektroner, når de udgør en væske, begynder at forplante sig hurtigere, end hvis de var frie, som i vakuum ".

Forskerne målte modstanden af ​​grafenforsnævringer, og fandt det falder ved stigende temperatur, i modsætning til den sædvanlige metalliske adfærd, der forventes for dopet grafen.

Ved at studere, hvordan modstanden på tværs af indsnævringerne ændres med temperaturen, forskerne afslørede en ny fysisk størrelse, som de kaldte den viskøse konduktans. Målingerne gjorde det muligt for dem at bestemme elektronviskositet til en så høj præcision, at de ekstraherede værdier viste bemærkelsesværdig kvantitativ overensstemmelse med teorien.