Natuurkundigen van het Weizmann Institute of Science in Israël hebben elektronen in beeld gebracht die viskeus door een nanoapparaat stromen, net als water dat door een pijp stroomt. Lang voorspeld maar nu voor het eerst gevisualiseerd, dit merkwaardige nieuwe gedrag voor elektronen heeft belangrijke implicaties voor toekomstige elektronische apparaten.

Van brullende golven tot kolkende draaikolken, de stroom van een vloeistof kan extreem rijk zijn. Dergelijke uiteenlopende verschijnselen zijn het resultaat van de vele botsingen die optreden tussen de deeltjes waaruit een vloeistof bestaat, en wordt beschreven door de fysica van de hydrodynamica. Echter, ondanks dat ze negatief geladen zijn, elektronen stromen gewoonlijk door een geleider als een gas op een gerandomiseerde manier, in wezen zonder elkaar af te stoten. Dit komt omdat de meeste geleiders zijn gemaakt van materialen die zeer ongeordend zijn, en de elektronen die naar binnen stromen komen vaker in botsing met de vele onzuiverheden en onvolkomenheden. Om elektronen te laten stromen als een vloeistof, men heeft een meer geavanceerde dirigent nodig, bijvoorbeeld, grafeen - een één atoom dikke laag koolstof, die uitzonderlijk schoon kan worden gemaakt. "Theorieën suggereren dat vloeibare elektronen coole prestaties kunnen leveren die hun ballistische of diffuse tegenhangers niet kunnen. Maar om een ​​duidelijk bewijs te krijgen dat elektronen inderdaad een vloeibare toestand kunnen vormen, we wilden hun stroom direct visualiseren, " zei prof. Shahal Ilani, hoofd van het Weizmann-team van de afdeling fysica van de gecondenseerde materie.

Het visualiseren van hydrodynamische elektronenstroom in een materiaal als grafeen is niet eenvoudig, Hoewel, omdat het een speciale techniek vereist die tegelijkertijd krachtig genoeg is om in een materiaal te kijken, maar toch zacht genoeg om de elektronenstroom niet te verstoren. Het Weizmann-team creëerde een dergelijke techniek, die ze onlangs publiceerden in Natuur Nanotechnologie . Ze produceerden een detector op nanoschaal, opgebouwd uit een koolstofnanobuistransistor die de eigenschappen van stromende elektronen met ongekende gevoeligheid in beeld kan brengen. "Onze techniek is minstens 1000 keer gevoeliger dan alternatieve methoden, waarmee we fenomenen in beeld kunnen brengen die voorheen alleen indirect konden worden bestudeerd, " zei Dr. Joseph Sulpizio, van Weizmann.

In hun nieuwe krant nu gepubliceerd in Natuur , de Weizmann-onderzoekers pasten hun nieuwe beeldvormingstechniek toe op ultramoderne grafeenapparaten geproduceerd door de groep van Prof. Andre Geim aan de Universiteit van Manchester. Deze apparaten zijn gevormd tot kanalen die de stromende elektronen geleiden, vergelijkbaar met de manier waarop een pijp de waterstroom geleidt. En net zoals water door een pijp stroomt, de elektronen in het grafeen werden waargenomen sneller te stromen in het midden van de kanalen en langzamer aan de wanden, wat het kenmerk is van hydrodynamische stroming.

Dit werk toont aan dat de patronen van een conventionele vloeistof kunnen worden nagebootst door elektronen. Dit kan gunstig zijn voor het creëren van nieuwe soorten elektronische apparaten, inclusief apparaten met een laag vermogen waarbij de hydrodynamische stroming de elektrische weerstand verlaagt. "Rekencentra en consumentenelektronica verslinden een steeds grotere hoeveelheid energie, en in het licht van de klimaatverandering, het is noodzakelijk om manieren te vinden om elektronen met minder weerstand te laten stromen, " zei Dr. Lior Ella van Weizmann.