Een nieuw begrip van de fysica van geleidende materialen is ontdekt door wetenschappers die de ongewone beweging van elektronen in grafeen observeren.

Grafeen geleidt vele malen beter dan koper dankzij, gedeeltelijk, aan zijn tweedimensionale structuur. In de meeste metalen, De geleidbaarheid wordt beperkt door kristalonvolkomenheden die ervoor zorgen dat elektronen vaak als biljartballen worden verstrooid wanneer ze door het materiaal bewegen.

Nutsvoorzieningen, observaties in experimenten bij het National Graphene Institute hebben essentieel inzicht verschaft in het eigenaardige gedrag van elektronenstromen in grafeen, waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van toekomstige nano-elektronische schakelingen.

In sommige hoogwaardige materialen, zoals grafeen, elektronen kunnen micronafstanden afleggen zonder verstrooiing, verbetering van de geleidbaarheid door ordes van grootte. Dit zogenaamde ballistische regime, legt de maximaal mogelijke geleiding op voor elk normaal metaal, die wordt gedefinieerd door het Landauer-Buttiker-formalisme.

Verschijnt vandaag in Natuurfysica , onderzoekers van de Universiteit van Manchester, in samenwerking met theoretisch natuurkundigen onder leiding van professor Marco Polini en professor Leonid Levitov, laten zien dat de fundamentele limiet van Landauer kan worden overschreden in grafeen. Nog boeiender is het mechanisme dat hiervoor verantwoordelijk is.

Vorig jaar, een nieuw veld in de vastestoffysica, 'elektronenhydrodynamica' genaamd, wekte enorme wetenschappelijke belangstelling. Drie verschillende experimenten, waaronder een uitgevoerd door de Universiteit van Manchester, aangetoond dat bij bepaalde temperaturen, elektronen botsen zo vaak met elkaar dat ze collectief beginnen te stromen als een stroperige vloeistof.

Het nieuwe onderzoek toont aan dat deze stroperige vloeistof zelfs meer geleidend is dan ballistische elektronen. Het resultaat is nogal contra-intuïtief, aangezien typisch verstrooiingsgebeurtenissen werken om de geleidbaarheid van een materiaal te verlagen, omdat ze beweging in het kristal remmen. Echter, wanneer elektronen met elkaar botsen, ze beginnen samen te werken en de stroom te vergemakkelijken.

Dit gebeurt omdat sommige elektronen in de buurt van de kristalranden blijven, waar de impulsdissipatie het grootst is, en beweeg nogal langzaam. Tegelijkertijd, ze beschermen naburige elektronen tegen botsingen met die regio's. Bijgevolg, sommige elektronen worden superballistisch als ze door hun vrienden door het kanaal worden geleid.

Sir Andre Geim zei:"We weten van school dat extra wanorde altijd extra elektrische weerstand veroorzaakt. In ons geval wanorde veroorzaakt door elektronenverstrooiing vermindert in feite de weerstand in plaats van te verhogen. Dit is uniek en nogal contra-intuïtief:wanneer elektronen een vloeistof vormen, beginnen ze zich sneller voort te planten dan wanneer ze vrij zouden zijn, zoals in vacuüm".

De onderzoekers maten de weerstand van grafeenvernauwingen, en ontdekte dat het afneemt bij toenemende temperatuur, in tegenstelling tot het gebruikelijke metallische gedrag dat wordt verwacht voor gedoteerd grafeen.

Door te bestuderen hoe de weerstand over de vernauwingen verandert met de temperatuur, de wetenschappers onthulden een nieuwe fysieke hoeveelheid die ze de viskeuze geleiding noemden. Dankzij de metingen konden ze de elektronenviscositeit met zo'n hoge precisie bepalen dat de geëxtraheerde waarden een opmerkelijke kwantitatieve overeenkomst met de theorie vertoonden.