Elektrony płyną jak ciecz 20.09.2017

W swoich ostatnich eksperymentach naukowcy z Graphene Institute na Uniwersytecie w Manchesterze odkryli warunki, w których elektrony poruszające się przez grafen zachowują się w bardzo nietypowy sposób. Ten specyficzny ruch elektronów umożliwia naukowcom lepsze zrozumienie procesów fizycznych zachodzących w materiałach przewodzących prąd elektryczny, aw niedalekiej przyszłości te same procesy mogą zostać wykorzystane do opracowania obwodów nanoelektronicznych do szybkich i wydajnych chipów komputerowych nowej generacji.

W większości metali przewodnictwo elektryczne jest ograniczone przez liczbę defektów w ich sieci krystalicznej, które powodują rozpraszanie elektronów, uderzając w nie jak kule bilardowe. Dlatego grafen dzięki swojej „dwuwymiarowej” strukturze znacznie lepiej przewodzi prąd niż jakikolwiek metal. Ponadto w niektórych czystych metalach i innych materiałach o uporządkowanej strukturze krystalicznej, w tym w grafenie, elektrony mogą pokonywać odległości mikronów bez rozpraszania dzięki tzw. ruchowi balistycznemu. Parametry takiego ruchu określają maksymalną możliwą przewodność elektryczną materiału, którą nazywamy podstawową granicą Landauera.

Jednak dane uzyskane podczas eksperymentów pozwoliły naukowcom stwierdzić, że prawo określające fundamentalną granicę Landauera nie jest przestrzegane w środowisku grafenowym w określonych warunkach. I odpowiada za to jeden bardzo nietypowy mechanizm, który jest bezpośrednio związany ze stosunkowo nową dziedziną fizyki zwaną hydrodynamiką elektronową (hydrodynamiką elektronową).

Dziedzina elektronowej dynamiki płynów pojawiła się dopiero w zeszłym roku po tym, jak naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze i innych organizacji naukowych wykazali, że w określonej temperaturze materiału poruszające się w nim elektrony zaczynają się tak często zderzać, że przepływ elektronów zaczyna płynąć jak przepływ cieczy, nie mając najmniejszego współczynnika lepkości. W nowych badaniach naukowcy wykazali, że obecność tej lepkiej „e-cieczy” nadaje materiałowi wyższą przewodność elektryczną niż ruch balistyczny elektronów.

Zjawisko odkryte przez naukowców jest dość paradoksalne. Rzeczywiście, podczas zderzeń elektronów oddziałują one i rozpraszają, co teoretycznie powinno osłabiać przewodność elektryczną materiału. Ale wzrost przewodności materiału wynika z faktu, że elektrony są podzielone na dwie warunkowe części, jak strumień wody płynącej w rzece. Elektrony poruszające się w pobliżu krawędzi sieci krystalicznej tracą pęd i zwalniają. Ale jednocześnie działają jako ochrona przed zderzeniami elektronów poruszających się w środku strumienia. A te elektrony już poruszają się po super-balistycznej trajektorii wewnątrz „kanału” stworzonego przez skrajne elektrony.

„Wiemy ze szkolnej fizyki, że im bardziej nieuporządkowana struktura materiału, tym większa jego oporność elektryczna”, mówi Sir Andrew Game, „Ale w naszym przypadku zaburzenie spowodowane przez rozpraszanie spowodowane zderzeniami elektronów zmniejsza, a nie zwiększa, opór elektryczny materiału.W tym przypadku elektrony zaczynają płynąć jak ciecz, a prędkość tej cieczy przekracza prędkość elektronów o tej samej energii w próżni.

Naukowcy przeprowadzili serię eksperymentów, w których mierzono przewodnictwo grafenu w różnych temperaturach. Porównanie przewodności czystego grafenu i domieszkowanego grafenu, który ma wyraźne właściwości przewodnictwa metalicznego, pozwoliło naukowcom obliczyć z dużą dokładnością nową wielkość fizyczną zwaną przewodnością lepką. A co najbardziej niezwykłe, zebrane dane eksperymentalne praktycznie pokrywały się z danymi uzyskanymi w trakcie obliczeń odpowiednich modeli matematycznych.