Normaal gesproken wil je elektriciteit en water niet mengen, maar elektriciteit die zich als water gedraagt, heeft het potentieel om elektronische apparaten te verbeteren. Recent werk van de groepen van ingenieur James Hone in Columbia en theoretisch natuurkundige Shaffique Adam van de National University of Singapore en Yale-NUS bouwt een nieuw begrip op van dit ongebruikelijke hydrodynamische gedrag dat enkele oude veronderstellingen over de fysica van metalen verandert. De studie werd op 15 april gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances .

In het werk bestudeerde het team het gedrag van een nieuwe halfgeleider waarin negatief geladen elektronen en positief geladen "gaten" tegelijkertijd stroom voeren. Ze ontdekten dat deze stroom kan worden beschreven met slechts twee "hydrodynamische" vergelijkingen:een die beschrijft hoe de elektronen en gaten tegen elkaar schuiven, en een tweede voor hoe alle ladingen samen door het atomaire rooster van het materiaal bewegen.

"Eenvoudige formules betekenen meestal eenvoudige natuurkunde", zei Hone, die verbaasd was toen Adams postdoc, Derek Ho, het nieuwe model bouwde, dat de aannames die veel natuurkundigen al vroeg in hun opleiding over metalen leren, in twijfel trekt. "We hebben allemaal geleerd dat je in een normaal metaal alleen maar hoeft te weten hoe een elektron weerkaatst op verschillende soorten onvolkomenheden," zei Hone. "In dit systeem zijn de basismodellen die we in onze eerste cursussen hebben geleerd gewoon niet van toepassing."

In metalen draden die een elektrische stroom voeren, zijn er veel bewegende elektronen die elkaar grotendeels negeren, zoals renners in een overvolle metro. Terwijl de elektronen bewegen, komen ze onvermijdelijk fysieke defecten tegen in het materiaal dat ze draagt, of trillingen die ervoor zorgen dat ze worden verstrooid. De stroom vertraagt ​​en er gaat energie verloren. Maar in materialen met een kleiner aantal elektronen, hebben die elektronen een sterke wisselwerking met elkaar en zullen ze samenvloeien, zoals water door een pijp. Ze komen nog steeds dezelfde onvolkomenheden tegen, maar hun gedrag is compleet anders:in plaats van te denken aan individuele elektronen die willekeurig worden verstrooid, moet je nu de hele set elektronen (en gaten) samen behandelen, zei Hone.

Om hun eenvoudige nieuwe model van hydrodynamische geleidbaarheid experimenteel te testen, bestudeerde het team dubbellaags grafeen - een materiaal gemaakt van twee atoomdunne vellen koolstof. Hone's Ph.D. student Cheng Tan mat de elektrische geleidbaarheid van kamertemperatuur tot bijna het absolute nulpunt terwijl hij de dichtheid van elektronen en gaten varieerde. Tan en Ho vonden een uitstekende match tussen het model en hun resultaten. "Het is opvallend dat experimentele gegevens zoveel beter overeenkomen met de hydrodynamische theorie dan de oude "standaardtheorie" over geleidbaarheid," zei Ho.

Het model werkte toen het materiaal zo was afgesteld dat de geleidbaarheid aan en uit kon worden gezet, en het hydrodynamische gedrag was zelfs bij kamertemperatuur prominent aanwezig. "Het is echt opmerkelijk dat dubbellaags grafeen al meer dan 15 jaar wordt bestudeerd, maar tot nu toe hebben we de geleidbaarheid bij kamertemperatuur niet goed begrepen", zegt Hone, ook Wang Fong-Jen-hoogleraar en voorzitter van de afdeling Werktuigbouwkunde. bij Columbia Engineering.

Lage weerstand geleidbaarheid bij kamertemperatuur kan zeer praktische toepassingen hebben. Bestaande supergeleidende materialen, die elektriciteit zonder weerstand geleiden, moeten ongelooflijk koud worden gehouden. Materialen die in staat zijn tot hydrodynamische stroming kunnen onderzoekers helpen efficiëntere elektronische apparaten te bouwen, ook wel viskeuze elektronica genoemd, die niet zo'n intense en dure koeling nodig hebben.

Op een meer fundamenteel niveau heeft het team geverifieerd dat de glijdende beweging tussen elektronen en gaten niet specifiek is voor grafeen, zei Adam, universitair hoofddocent van het Department of Materials Science and Engineering aan de National University of Singapore en de Division of Science aan de Yale. -NUS-college. Omdat deze relatieve beweging universeel is, zouden onderzoekers het in andere materialen moeten kunnen vinden, vooral omdat het verbeteren van fabricagetechnieken steeds schonere monsters oplevert, waarop het Hone Lab zich het afgelopen decennium heeft gericht op de ontwikkeling. In de toekomst kunnen onderzoekers ook specifieke geometrieën ontwerpen om de prestaties van apparaten die zijn gebouwd om te profiteren van dit unieke waterachtige collectieve gedrag, verder te verbeteren. + Verder verkennen

Onderzoekers komen dichter bij het beheersen van tweedimensionaal grafeen