Hall-effekten bliver tyktflydende i grafen

Forskere ved University of Manchester i Storbritannien har opdaget, at Hall-effekten - et fænomen, der har været kendt i mere end et århundrede - ikke længere er så universel, som man troede.

I forskningspapiret offentliggjort i Videnskab denne uge, gruppen ledet af Prof Sir Andre Geim og Dr. Denis Bandurin, fandt ud af, at Hall-effekten endda kan være væsentligt svagere, hvis elektroner vekselvirker kraftigt med hinanden, hvilket giver anledning til en viskøs strømning. Det nye fænomen er vigtigt ved stuetemperatur - noget, der kan have vigtige konsekvenser for, når man laver elektroniske eller optoelektroniske enheder.

Ligesom molekyler i gasser og væsker, elektroner i faste stoffer kolliderer ofte med hinanden og kan således også opføre sig som viskøse væsker. Sådanne elektronvæsker er ideelle til at finde ny adfærd af materialer, hvor elektron-elektron-interaktioner er særligt stærke. Problemet er, at de fleste materialer sjældent er rene nok til at tillade elektroner at komme ind i det viskøse regime. Dette skyldes, at de indeholder mange urenheder, som elektroner kan sprede, før de når at interagere med hinanden og organisere et tyktflydende flow.

Grafen kan være meget nyttigt her:carbonpladen er et meget rent materiale, der kun indeholder nogle få defekter, urenheder og fononer (vibrationer af krystalgitteret induceret af temperatur), således at elektron-elektron-interaktioner bliver hovedkilden til spredning, hvilket fører til en viskøs elektronstrøm.

"I tidligere arbejde, vores gruppe fandt ud af, at elektronstrømmen i grafen kan have en viskositet så høj som 0,1 m ² s ^-1 , som er 100 gange højere end honning, " sagde Dr. Bandurin "I denne første demonstration af elektronhydrodynamik, vi opdagede meget usædvanlige fænomener som negativ modstand, elektronhvirvler og superballistisk flow."

Endnu mere usædvanlige effekter opstår, når et magnetfelt påføres grafens elektroner, når de er i det viskøse regime. Teoretikere har allerede grundigt studeret elektromagnetohydrodynamik på grund af dens relevans for plasmaer i atomreaktorer og neutronstjerner, samt for væskemekanik generelt. Men, intet praktisk eksperimentelt system til at teste disse forudsigelser (såsom stor negativ magnetoresistens og unormal Hall-resistivitet) var umiddelbart tilgængeligt indtil nu.

I deres seneste eksperimenter, Manchester-forskerne lavede grafenapparater med mange spændingsprober placeret i forskellige afstande fra den elektriske strømvej. Nogle af dem var mindre end en mikron fra hinanden. Geim og kolleger viste, at mens Hall-effekten er helt normal, hvis den måles i store afstande fra den nuværende vej, dens størrelse aftager hurtigt, hvis den undersøges lokalt, ved hjælp af kontakter tæt på den aktuelle injektor.

"Adfærden er radikalt forskellig fra standard lærebogsfysik" siger Alexey Berdyugin, en ph.d. elev, der har udført det eksperimentelle arbejde. "Vi observerer, at hvis spændingskontakterne er langt fra de nuværende kontakter, vi måler det gamle, kedelig Hall effekt, i stedet for denne nye 'viskose Hall-effekt'. Men, hvis vi placerer spændingsonderne i nærheden af ​​strøminjektionspunkterne - det område, hvor viskositeten viser sig mest dramatisk som hvirvler i elektronstrømmen - så finder vi ud af, at Hall-effekten aftager.

"Kvalitative ændringer i elektronstrømmen forårsaget af viskositet fortsætter selv ved stuetemperatur, hvis grafenenheder er mindre end en mikron i størrelse, siger Berdyugin. "Da denne størrelse er blevet rutine i disse dage, hvad angår elektroniske enheder, de tyktflydende effekter er vigtige, når man laver eller studerer grafenanordninger."