Elektrische weerstand is een eenvoudig concept:net als wrijving die een object vertraagt ​​dat op een oppervlak rolt, weerstand vertraagt ​​de stroom van elektronen door een geleidend materiaal. Maar twee natuurkundigen hebben nu ontdekt dat elektronen soms kunnen samenwerken om weerstand op zijn kop te zetten, het produceren van wervels en achterwaartse stroom van elektrische stroom.

De voorspelling van "negatieve weerstand" is slechts een van een reeks contra-intuïtieve en bizarre vloeistofachtige effecten die optreden onder bepaalde exotische omstandigheden, waarbij systemen van sterk op elkaar inwerkende deeltjes in een vel grafeen betrokken zijn, een tweedimensionale vorm van koolstof. De bevindingen worden beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift verschijnt Natuurfysica , door MIT hoogleraar natuurkunde Leonid Levitov en Gregory Falkovich, een professor aan het Israëlische Weizmann Institute of Science.

Elektronen in grafeen bewegen op een keurig gecoördineerde manier, lijkt in veel opzichten op de beweging van viskeuze vloeistoffen door een buis waar ze sterk worden beïnvloed door turbulentie en wervelingen. Dit komt door interacties die een stroomveldrespons over lange afstand produceren, heel anders dan het eenvoudige "individualistische" gedrag dat onder normale omstandigheden wordt verwacht, wanneer elektronen in rechte lijnen bewegen zoals flipperkasten die tussen de ionen stuiteren, zoals beschreven door de wet van Ohm, zeggen de onderzoekers.

Het begrip elektronenviscositeit was al eerder in theorie geopperd, maar het was moeilijk te testen gebleken omdat niemand een manier had bedacht om dergelijke verschijnselen direct waar te nemen. Nutsvoorzieningen, Levitov en Falkovich zeggen dat ze een reeks tekens hebben bedacht die kunnen dienen als een indicator voor dergelijke collectieve effecten in elektronenstromen.

Dit werk is "een opmerkelijke toepassing van theoretisch inzicht op de voorspelling van een nieuw experimenteel waarneembaar effect, " zegt Subir Sachdev, een professor in de natuurkunde aan de Harvard University die niet bij dit werk betrokken was. Hij zegt dat dit inzicht "zeer belangrijk is en een nieuw hoofdstuk opent in de studie van elektronenstroom in metalen."

Een benchmarksysteem

"Er was altijd een soort tweedeling tussen wat in theorie gemakkelijk te doen is en wat gemakkelijk te doen is in experimenten, " zegt Levitov. "Er werd gezocht naar een ideaal systeem waarmee experimentatoren gemakkelijk kunnen werken en dat ook een benchmarksysteem zou zijn met sterke interacties dat sterke interactieve fenomenen zou laten zien." hij zegt, grafeen biedt veel van de gewilde eigenschappen van een dergelijk systeem.

Op een grafeen oppervlak, Levitov zegt, "Je hebt elektronen die zich gedragen als relativistische deeltjes, gekoppeld aan interacties die over lange afstanden en behoorlijk sterk zijn." Met een mogelijke uitzondering van exotische vloeistoffen zoals quark-gluonplasma's, hij zegt, grafeen kan dichter bij het idee van een perfecte "sterk interagerende vloeistof, " een belangrijk theoretisch concept in de kwantumfysica, dan enig ander systeem dat we momenteel kennen.

Het collectieve gedrag van de ladingsdragers in zulke sterk op elkaar inwerkende systemen is nogal eigenaardig. "In feite, het is niet zo anders dan vloeistofmechanica, " zegt Levitov. De manier waarop vloeistoffen bewegen kan worden berekend "met heel weinig kennis van hoe individuele atomen van de vloeistof op elkaar inwerken. We geven niet zoveel om de individuele bewegingen; het is het collectieve gedrag dat er toe doet in dergelijke situaties, hij zegt.

In de grafeenomgeving, kwantum effecten, die gewoonlijk onbeduidend zijn op schalen die groter zijn dan die van individuele deeltjes, een dominante rol spelen, hij zegt. In deze instelling, "we laten zien dat [de manier waarop ladingsdragers bewegen] collectief gedrag vertoont dat vergelijkbaar is met andere sterk op elkaar inwerkende vloeistoffen, als water."

Hoe het te detecteren?

Maar hoewel dat in theorie waar is, hij zegt, "de vraag is, zelfs als we het hebben" - dat wil zeggen, dit vloeistofachtige gedrag - "hoe detecteren we het? In tegenstelling tot gewone vloeistoffen, waar je de stroom direct kunt volgen door er wat kralen in te doen, bijvoorbeeld, in dit systeem hebben we geen manier om de stroom direct te bekijken." Maar vanwege de tweedimensionale structuur van grafeen, terwijl elektronen door het materiaal bewegen "kunnen we informatie krijgen van elektrische metingen" die van buitenaf worden gedaan, waar het mogelijk is om sondes op elk punt op de plaat te plaatsen.

De nieuwe aanpak is gebaseerd op het feit dat "als je een stroperige stroom hebt, je verwacht dat de verschillende delen van de vloeistof aan elkaar slepen en draaikolken produceren. Ze zullen een stroom creëren die naburige deeltjes zal aanslepen en een draaikolk zal aandrijven, " zegt Levitov. Specifiek, een directe stroom in het midden van een grafeenlint gaat gepaard met draaikolken die zich langs de zijkanten ontwikkelen. In die draaikolken, elektronen kunnen feitelijk in de richting tegengesteld aan die van het aangelegde elektrische veld stromen, wat resulteert in wat de natuurkundigen negatieve weerstand noemen.

Hoewel de draaikolken zelf niet direct kunnen worden waargenomen, de achterwaartse beweging van de elektronenstroom in bepaalde delen van het materiaal kan worden gemeten en vergeleken met de theoretische voorspellingen.

Hoewel Levitov en Falkovich dergelijke experimenten niet persoonlijk hebben uitgevoerd, Levitov zegt dat sommige recente raadselachtige bevindingen in het voorspelde patroon lijken te passen. In een experiment dat zojuist is gemeld, hij zegt:"onderzoekers zagen iets soortgelijks, waar de spanning aan de zijkant negatief wordt. Het is erg verleidelijk om te zeggen dat wat ze zagen een manifestatie is van de verschijnselen die door dit werk worden voorspeld.

Niet alleen analogie

De vergelijking van elektronengedrag in grafeen met vloeistofdynamica "is niet alleen een analogie, maar een directe correspondentie, " zegt Levitov. Maar er zijn belangrijke verschillen, inclusief het feit dat deze vloeistof een elektrische lading draagt, dus het gedraagt ​​zich niet precies zoals water dat door een pijp stroomt, maar eerder op een manier die vergelijkbaar is met sommige plasma's, die in wezen wolken van geladen deeltjes zijn.

Omdat dit werk in een vroeg stadium is, Levitov zegt, het is te vroeg om te zeggen of het ooit praktische toepassingen zal hebben. Maar een verrassende implicatie van dit werk is dat warmtetransport sterk kan koppelen aan ladingtransport. Dat is, warmte kan bovenop de ladingsstroom terechtkomen en zich op een golfachtige manier veel sneller voortplanten dan onder normale omstandigheden - misschien wel 10 tot 100 keer sneller. Dit gedrag, indien bereikt, op een gegeven moment kan worden aangewend, misschien in detectieapparaten met zeer snelle responstijden, speculeert hij.

André Geim, een professor in de fysica van de gecondenseerde materie aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk die niet betrokken was bij dit werk, zegt, "Het is een briljant stukje theorie, wat heel goed overeenkomt met onze recente experimentele bevindingen." Die experimenten, hij zegt, "deed de wervelingen voorspeld door de groep van Levitov en toonde aan dat de elektronenvloeistof in grafeen 100 keer viskeuzer was dan honing, in tegenstelling tot de universele overtuiging dat elektronen zich als een gas gedragen."

Geim voegt eraan toe dat grafeen steeds meer wordt gebruikt in een verscheidenheid aan toepassingen, en zegt, "Elektronische ingenieurs kunnen het materiaal niet echt gebruiken zonder de elektronische eigenschappen ervan te begrijpen. Of je elektronen als kogels bewegen of in stroop zwemmen om draaikolken te creëren, maakt duidelijk een enorm verschil."

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.