Tatiana Shepeleva/Shutterstock.com Elektroneja on saatu virtaamasta läpi grafeeni kuin neste, fyysikot pitivät rajojen saavuttamista pohjimmiltaan mahdottomina.
Tämän tyyppinen johtavuus tunnetaan 'superbalistisena' virtauksena, ja tämä uusi koe viittaa siihen, että se voisi mullistaa tavan, jolla johdamme sähköä.
Jos se ei ole tarpeeksi hullua, supernopeat virtaukset johtuvat itse asiassa elektronien pomppimisesta toisistaan, minkä lukion fysiikan mukaan pitäisi hidastaa johtavuutta.
Joten mitä täällä tapahtuu? Vuosikymmenten ajan Tiedemiehet olivat spekuloineet, että joissain olosuhteissa elektronit saattavat lakata käyttäytymästä yksilöinä ja törmätä niin usein, että ne itse asiassa alkavat virrata kuin viskoosi neste, jolla on kaikenlaisia ainutlaatuisia ominaisuuksia.
Mutta se oli vain viime vuonna että tutkijat vahvistivat ilmiön osoittaen ensimmäistä kertaa, että jopa huoneenlämmössä grafeenin sisällä olevat elektronit voivat toimia nesteenä, joka on 100 kertaa viskoosimpi kuin hunaja - mitä tutkijat kutsuvat ' [elektronien] kollektiivisesta liikkeestä johtuva kvanttiomituisuus '.
Nyt sama tiimi johdolla Sir Andre Geim - Manchesterin yliopiston fyysikko, joka voitti 2010 Nobel-palkinnon grafeenia kuvaavasta työstään - on osoittanut, että tämä nestemäisten elektronien ilmiö on vielä hullumpi kuin luulimme.
Avaamalla tämän nestemäisen käytöksen tutkijat pystyivät havaitsemaan grafeenissa olevien elektronien rikkovan normaalin metallin elektronien perusrajan, joka tunnetaan nimellä Landauerin ballistinen raja.
Tämä on yksi ensimmäisistä kokeellisista varmistuksista, jotka osoittavat, kuinka tehokas kokonaan uudenlainen fysiikka voisi olla, ja mikä tärkeintä, se viittaa myös siihen, että voisimme olla täysin uuden tavan siirtää sähköä materiaalien läpi, joiden vastus on lähellä nollaa.
Juuri nyt suprajohteet voivat saavuttaa sen, mutta kyky ilmenee vain erittäin kylmissä lämpötiloissaalle 5,8 K(-267 °C tai -450 °F).
Mutta viimeisimmässä tutkimuksessa tutkijat pystyivät havaitsemaan tämän nssuperbalistinen virtausgrafeenin sisällä suhteellisen lämpimässä lämpötilassa 150 K (-123 °C ja -190 °F).
Itse asiassa vastarintaa vähentynyt lämpötilan noustessa päinvastoin kuin odotat tapahtuvan.
Toistaiseksi tämä on vain yksi tutkimus, ja riippumattomien ryhmien on tarkistettava Manchesterin yliopiston tulokset. Mutta tavan löytää tehokkaampi sähkön johtaminen korkeammissa lämpötiloissa on yksi fysiikan 'pyhimmistä maljoista', koska se tasoittaisi tietä supertehokkaille tietokoneille tai sähköverkoille, jotka eivät häviä.7 prosenttia energiastaan lämpönä.
Se on tarpeeksi jännittävää, mutta fysiikan yhteisölle todellinen läpimurto tässä on se tosiasia, että tämä on yksi ensimmäisistä yksityiskohtaisista tutkimuksista tästä uudesta nestemäisestä elektronikäyttäytymisestä - ja se viittaa siihen, että olemme vain raapimassa pintaa, kuinka outoa se on. todella on.
Outoa on, että tämän tyyppinen elektronivirta on vastoin kaikkea muuta, mitä tiedämme johtavuudesta – eli mitä enemmän elektroneja siroaa, sitä vähemmän johtava materiaali on.
Siksi grafeeni on jo monta kertaa johtavampaa kuin esimerkiksi kupari - sen siistissä 2D-rakenteessa on paljon vähemmän epätäydellisyyksiä kuin tavallisissa metalleissa, joten sen läpi kulkevat elektronit siroavat vähemmän ja liikkuvat nopeammin, mikä tunnetaan ballistisena virtauksena.
Mutta päinvastoin tapahtuu, kun elektronit alkavat työskennellä yhdessä ja käyttäytyä kuin neste - tämä uusin tutkimus osoittaa, että se pystyy vapauttamaan superbalistisen virtauksen.
'Tiedämme koulusta, että ylimääräiset häiriöt luovat aina ylimääräistä sähkövastusta.' sanoi Geim .
'Meidän tapauksessamme elektronien sironnan aiheuttama häiriö itse asiassa vähentää vastusta kuin lisää.'
'Tämä on ainutlaatuista ja varsin ristiriitaista: nesteen muodostavat elektronit alkavat levitä nopeammin kuin jos ne olisivat vapaita, kuten tyhjiössä'.
Kuinka se toimii? Resistanssin lisäämisen sijaan joskus elektronien törmääessä toisiinsa ne voivat itse asiassa alkaa toimia yhdessä ja helpottaa virran kulkua.
Jos ajattelet grafeenissa olevia kiteitä kanavana, jonka läpi elektronien täytyy virrata, elektronit hidastavat eniten, kun ne pomppaavat pois kanavan reunoista ja menettävät vauhtiaan.
Tässä nestekäyttäytymisessä jotkut elektronit jäävät kuitenkin lähelle reunaa, mikä tehokkaasti puskuroi muita elektroneja törmäyksestä näiden alueiden kanssa ja hidastuen.
Tämän seurauksena joistakin elektroneista tulee superbalistisia, kun niitä ohjataan grafeenin sisällä olevien kanavien läpi pomppimalla pois ystäviensä. Tämä on sama asia kuin joessa - virta on nopein keskellä.
Sir Geim ja hänen tiiminsä ovat kutsuneet tätä uutta fyysistä määrää 'viskoosiksi johtavuudelle'. Ja koska tämä on yksi ensimmäisistä tutkimuksista sen kyvyistä ja se on jo rikkomassa suuria fyysisiä rajoja, olemme melko varmoja, että tulet kuulemaan siitä paljon enemmän.
Katso tätä tilaa.
Tutkimus on julkaistu v Luonnon fysiikka .