Een nieuwe bevinding door natuurkundigen van het MIT en in Israël laat zien dat onder bepaalde gespecialiseerde omstandigheden, elektronen kunnen gemakkelijker door een nauwe opening in een stuk metaal razen dan volgens de traditionele theorie mogelijk is.

Deze "superballistische" stroom lijkt op het gedrag van gassen die door een vernauwde opening stromen, het vindt echter plaats in een kwantummechanische elektronenvloeistof, zegt MIT natuurkunde professor Leonid Levitov, wie is de senior auteur van een paper waarin de bevinding wordt beschreven die deze week in de Proceedings van de National Academy of Sciences .

In deze nauwe doorgangen, of het nu gaat om gassen die door een buis gaan of elektronen die door een gedeelte van metaal bewegen dat smaller wordt tot een punt, het blijkt dat hoe meer, hoe beter:grote trossen gasmoleculen, of grote trossen elektronen, sneller bewegen dan kleinere aantallen die door hetzelfde knelpunt gaan.

Het gedrag lijkt paradoxaal. Het is alsof een menigte mensen die zich door een deuropening probeert te wurmen, ontdekken dat ze er sneller doorheen kunnen dan één persoon die alleen en ongehinderd door een deur gaat. Maar wetenschappers weten al bijna een eeuw dat dit precies is wat er gebeurt met gassen die door een kleine opening gaan. en het gedrag kan worden verklaard door eenvoudige, basis natuurkunde, zegt Levitov.

In een doorgang van een bepaalde grootte, als er weinig gasmoleculen zijn, ze kunnen ongehinderd in rechte lijnen reizen. Dit betekent dat als ze willekeurig bewegen, de meeste van hen zullen snel de muur raken en weerkaatsen, verliezen een deel van hun energie aan de muur in het proces en dus vertragen elke keer dat ze raken. Maar met een grotere partij moleculen, de meeste van hen zullen vaker tegen andere moleculen botsen dan dat ze de muren zullen raken. Botsingen met andere moleculen zijn "lossless, " aangezien de totale energie van de twee deeltjes die botsen behouden blijft, en er treedt geen algehele vertraging op. "Moleculen in een gas kunnen door 'samenwerking' bereiken wat ze individueel niet kunnen bereiken, " hij zegt.

Naarmate de dichtheid van moleculen in een doorgang toeneemt, hij legt uit, "Je bereikt een punt waarop de hydrodynamische druk die je nodig hebt om het gas door te duwen, daalt, ook al gaat de deeltjesdichtheid omhoog." Kortom, hoe vreemd het ook mag lijken, de verdringing zorgt ervoor dat de moleculen versnellen.

Een soortgelijk fenomeen, de onderzoekers melden nu, regelt het gedrag van elektronen wanneer ze door een smal stuk metaal razen, waar ze bewegen in een vloeistofachtige stroom.

Het resultaat is dat, door een voldoende smalle, puntvormige vernauwing in een metaal, elektronen kunnen stromen met een snelheid die hoger is dan wat als een fundamentele limiet werd beschouwd, bekend als de ballistische limiet van Landauer. Daarom, het team heeft het nieuwe effect "superballistische" stroom genoemd. Dit vertegenwoordigt een grote daling van de elektrische weerstand van het metaal, hoewel het veel minder is dan wat nodig zou zijn om de nulweerstand in supergeleidende metalen te produceren. Echter, in tegenstelling tot supergeleiding, die extreem lage temperaturen vereist, het nieuwe fenomeen kan zelfs bij kamertemperatuur plaatsvinden en kan dus veel gemakkelijker te implementeren zijn voor toepassingen in elektronische apparaten.

In feite, het fenomeen neemt zelfs toe naarmate de temperatuur stijgt. In tegenstelling tot supergeleiding, Levitov zegt, superballistische stroming "wordt ondersteund door temperatuur, in plaats van erdoor gehinderd te worden."

Door dit mechanisme, Levitov zegt, "we kunnen deze grens overwinnen waarvan iedereen dacht dat het een fundamentele limiet was voor hoe hoog de geleiding zou kunnen zijn. We hebben laten zien dat je beter kunt doen dan dat."

Hij zegt dat hoewel dit specifieke artikel puur theoretisch is, andere teams hebben hun basisvoorspellingen al experimenteel bewezen. Terwijl de versnelling waargenomen in stromende gassen in het analoge geval een tienvoudige of grotere versnelling kan bereiken, het valt nog te bezien of verbeteringen van die omvang kunnen worden bereikt voor elektrische geleiding. Maar zelfs een bescheiden weerstandsvermindering in sommige elektronische circuits zou een aanzienlijke verbetering kunnen zijn, hij zegt.

"Dit werk is zorgvuldig, elegant, en verrassend - alle kenmerken van onderzoek van zeer hoge kwaliteit, " zegt David Goldhaber-Gordon, een professor in de natuurkunde aan de Stanford University die niet betrokken was bij dit onderzoek. "In de wetenschap, Ik heb het gevoel dat fenomenen die onze intuïties in de war brengen altijd nuttig zijn om ons gevoel van wat mogelijk is te verruimen. Hier, het idee dat er meer elektronen door een opening kunnen passen als de elektronen elkaar afbuigen in plaats van vrij en onafhankelijk te reizen, is nogal contra-intuïtief, in feite het tegenovergestelde van wat we gewend zijn. Het is vooral intrigerend dat Levitov en collega's ontdekken dat de geleiding in dergelijke systemen zo'n eenvoudige regel volgt."

Hoewel dit werk theoretisch was, Goldhaber-Gordon voegt eraan toe, "Het experimenteel testen van de eenvoudige en opvallende voorspellingen van Levitov zal heel opwindend en aannemelijk zijn om te bereiken in grafeen. ... Onderzoekers hebben zich voorgesteld om nieuwe soorten elektronische schakelaars te bouwen op basis van ballistische elektronenstroom. Levitov's theoretische inzichten, indien experimenteel gevalideerd, zou zeer relevant zijn voor dit idee:Superballistic flow zou ervoor kunnen zorgen dat deze schakelaars beter presteren dan verwacht (of zou kunnen aantonen dat ze niet werken zoals gehoopt)."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.