Onderzoekers van de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk hebben ontdekt dat het Hall-effect - een fenomeen dat al meer dan een eeuw bekend is - niet langer zo universeel is als werd gedacht.

In de onderzoekspaper gepubliceerd in Wetenschap deze week, de groep onder leiding van Prof Sir Andre Geim en Dr. Denis Bandurin, ontdekte dat het Hall-effect zelfs aanzienlijk zwakker kan zijn, als elektronen sterk met elkaar interageren, waardoor een viskeuze stroom ontstaat. Het nieuwe fenomeen is belangrijk bij kamertemperatuur - iets dat belangrijke implicaties kan hebben bij het maken van elektronische of opto-elektronische apparaten.

Net als moleculen in gassen en vloeistoffen, elektronen in vaste stoffen botsen vaak met elkaar en kunnen zich dus ook als stroperige vloeistoffen gedragen. Dergelijke elektronenvloeistoffen zijn ideaal om nieuw gedrag van materialen te vinden waarin de elektron-elektron-interacties bijzonder sterk zijn. Het probleem is dat de meeste materialen zelden zuiver genoeg zijn om elektronen in het viskeuze regime te laten komen. Dit komt omdat ze veel onzuiverheden bevatten waardoor elektronen kunnen verstrooien voordat ze tijd hebben om met elkaar in wisselwerking te staan ​​en een stroperige stroom te organiseren.

Grafeen kan hier heel goed van pas komen:de carbonplaat is een zeer schoon materiaal dat slechts enkele defecten bevat, onzuiverheden en fononen (trillingen van het kristalrooster veroorzaakt door temperatuur), zodat elektron-elektron-interacties de belangrijkste bron van verstrooiing worden, wat leidt tot een viskeuze elektronenstroom.

"In het vorige werk onze groep ontdekte dat de elektronenstroom in grafeen een viscositeit kan hebben van wel 0,1 m ² s ^-1 , die 100 keer hoger is dan die van honing, " zei Dr. Bandurin "In deze eerste demonstratie van elektronenhydrodynamica, we ontdekten zeer ongebruikelijke verschijnselen zoals negatieve weerstand, elektronendraaikolken en superballistische stroming."

Nog meer ongebruikelijke effecten treden op wanneer een magnetisch veld wordt toegepast op de elektronen van grafeen wanneer ze zich in het viskeuze regime bevinden. Theoretici hebben elektromagnetische hydrodynamica al uitgebreid bestudeerd vanwege de relevantie ervan voor plasma's in kernreactoren en in neutronensterren, evenals voor vloeistofmechanica in het algemeen. Maar, tot nu toe was er geen praktisch experimenteel systeem om die voorspellingen te testen (zoals grote negatieve magnetoweerstand en afwijkende Hall-weerstand).

In hun laatste experimenten, de Manchester-onderzoekers maakten grafeenapparaten met veel spanningssondes die op verschillende afstanden van het elektrische stroompad waren geplaatst. Sommigen van hen waren minder dan een micron van elkaar verwijderd. Geim en collega's toonden aan dat hoewel het Hall-effect volkomen normaal is als het wordt gemeten op grote afstanden van het huidige pad, de omvang ervan neemt snel af als het lokaal wordt onderzocht, met behulp van contacten in de buurt van de stroominjector.

"Het gedrag is radicaal anders dan de standaard natuurkunde uit het leerboek", zegt Alexey Berdyugin, een doctoraat student die het experimentele werk heeft uitgevoerd. "We merken dat als de spanningscontacten ver van de huidige contacten liggen, we meten het oude, saai Hall-effect, in plaats van dit nieuwe 'viskeuze Hall-effect'. Maar, als we de spanningssondes in de buurt van de huidige injectiepunten plaatsen - het gebied waarin de viscositeit het meest dramatisch verschijnt als draaikolken in de elektronenstroom - dan ontdekken we dat het Hall-effect afneemt.

"Kwalitatieve veranderingen in de elektronenstroom veroorzaakt door viscositeit blijven bestaan, zelfs bij kamertemperatuur als grafeenapparaten kleiner zijn dan één micron, zegt Berdyugin. "Aangezien dit formaat tegenwoordig routine is geworden voor elektronische apparaten, de viskeuze effecten zijn belangrijk bij het maken of bestuderen van grafeenapparaten."