Wanneer u door een geleidend materiaal in een elektrisch veld beweegt, elektronen hebben de neiging om de weg van de minste weerstand te volgen - die in de richting van dat veld loopt.

Maar nu hebben natuurkundigen van het MIT en de Universiteit van Manchester een onverwacht ander gedrag ontdekt onder zeer gespecialiseerde omstandigheden - een gedrag dat zou kunnen leiden tot nieuwe soorten transistors en elektronische circuits die zeer energiezuinig zouden kunnen blijken te zijn.

Ze hebben ontdekt dat wanneer een vel grafeen - een tweedimensionale reeks pure koolstof - bovenop een ander tweedimensionaal materiaal wordt geplaatst, elektronen bewegen in plaats daarvan zijwaarts, loodrecht op het elektrische veld. Dit gebeurt zelfs zonder de invloed van een magnetisch veld - de enige andere bekende manier om zo'n zijwaartse stroming te induceren.

Bovendien, twee afzonderlijke elektronenstromen zouden in tegengestelde richtingen stromen, beide dwars op het veld, elkaars elektrische lading opheffen om een ​​"neutrale, gratis stroom, " legt Leonid Levitov uit, een MIT-professor in de natuurkunde en een senior auteur van een paper die deze bevindingen deze week in het tijdschrift beschrijft Wetenschap .

De exacte hoek van deze stroom ten opzichte van het elektrische veld kan nauwkeurig worden geregeld, zegt Levitov. Hij vergelijkt het met een zeilboot die loodrecht op de wind vaart, de bewegingshoek wordt geregeld door de positie van het zeil aan te passen.

Levitov en co-auteur Andre Geim in Manchester zeggen dat deze stroom kan worden veranderd door een minieme spanning op de poort aan te brengen, waardoor het materiaal als een transistor kan functioneren. Stromen in deze materialen, neutraal zijn, misschien niet veel van hun energie verspillen als warmte, zoals gebeurt in conventionele halfgeleiders, waardoor de nieuwe materialen mogelijk een efficiëntere basis voor computerchips worden.

"Het wordt algemeen aangenomen dat nieuwe, onconventionele benaderingen van informatieverwerking zijn essentieel voor de toekomst van hardware, Levitov zegt. "Deze overtuiging is de drijvende kracht geweest achter een aantal belangrijke recente ontwikkelingen, in het bijzonder spintronica"-waarin de spin van elektronen, niet hun elektrische lading, informatie draagt.

De MIT- en Manchester-onderzoekers hebben een eenvoudige transistor gedemonstreerd op basis van het nieuwe materiaal, zegt Levitov.

"Het is best een fascinerend effect, en het raakt een zwak punt in ons begrip van complexe, zogenaamde topologische materialen, "Geim zegt. "Het is zeer zeldzaam om een ​​fenomeen tegen te komen dat materiaalwetenschap overbrugt, deeltjesfysica, relativiteit, en topologie."

In hun experimenten, Levitov, Geim, en hun collega's legden het grafeen op een laag boornitride - een tweedimensionaal materiaal dat een hexagonale roosterstructuur vormt, zoals grafeen doet. Samen, de twee materialen vormen een superrooster dat zich gedraagt ​​als een halfgeleider.

Dit superrooster zorgt ervoor dat elektronen een onverwachte draai krijgen - die Levitov beschrijft als "een ingebouwde vorticiteit" - die hun bewegingsrichting verandert, zoveel als de spin van een bal zijn baan kan buigen.

Elektronen in grafeen gedragen zich als massaloze relativistische deeltjes. Het waargenomen effect, echter, heeft geen bekende analoog in deeltjesfysica, en vergroot ons begrip van hoe het universum werkt, zeggen de onderzoekers.

Of dit effect kan worden benut om het energieverbruik van computerchips te verminderen, blijft een open vraag, Levitov geeft toe. Dit is een vroege bevinding, en hoewel er duidelijk een mogelijkheid is om het energieverlies voor warmte lokaal te verminderen, andere onderdelen van een dergelijk systeem kunnen deze voordelen compenseren. "Dit is een fascinerende vraag die nog moet worden opgelost, ' zegt Levitov.

Francisco Guinee, een onderzoeksprofessor aan het Spaanse Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, die niet bij dit onderzoek betrokken was, noemt de aanpak van dit team "nieuw en fantasierijk. ... De karakterisering van deze stromen in grafeen is een zeer belangrijke vooruitgang in het begrip van tweedimensionale materialen."

Het werk heeft een groot potentieel, Guinee voegt toe, omdat "tweedimensionale materialen met speciale topologische eigenschappen de basis vormen van nieuwe technologieën voor de manipulatie van kwantuminformatie."

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.