Ett nytt fynd av fysiker vid MIT och i Israel visar att under vissa specialiserade förhållanden elektroner kan snabbare genom en smal öppning i en metallbit lättare än traditionell teori säger är möjligt.

Detta "superballistiska" flöde liknar beteendet hos gaser som strömmar genom en trång öppning, men det sker i en kvantmekanisk elektronvätska, säger MIT -fysikprofessorn Leonid Levitov, som är seniorförfattare till ett papper som beskriver fyndet som dyker upp i veckan i Förfaranden från National Academy of Sciences .

I dessa trånga passager, oavsett om det rör sig om gaser som passerar genom ett rör eller elektroner som rör sig genom en metallsektion som smalnar till en punkt, det visar sig att ju fler, desto roligare:Stora gäng gasmolekyler, eller stora gäng elektroner, gå snabbare än mindre antal som passerar genom samma flaskhals.

Beteendet verkar paradoxalt. Det är som om en massa människor som försöker klämma in genom en dörröppning på en gång upptäcker att de kan klara sig snabbare än att en person går ensam och obehindrat. Men forskare har vetat i nästan ett sekel att detta är exakt vad som händer med gaser som passerar genom en liten öppning, och beteendet kan förklaras med enkla, grundläggande fysik, Säger Levitov.

I en gång av en viss storlek, om det finns få gasmolekyler, de kan resa obehindrat i raka linjer. Det betyder att om de rör sig slumpmässigt, de flesta kommer snabbt att slå mot väggen och studsa av, tappar en del av sin energi till väggen i processen och därmed saktar ner varje gång de träffar. Men med en större mängd molekyler, de flesta av dem kommer att stöta på andra molekyler oftare än de kommer att träffa väggarna. Kollisioner med andra molekyler är "förlustfria, "eftersom den totala energin för de två partiklarna som kolliderar bevaras, och ingen övergripande avmattning sker. "Molekyler i en gas kan uppnå genom 'samarbete' vad de inte kan åstadkomma individuellt, " han säger.

När molekylernas densitet i en gång stiger, han förklarar, "Du når en punkt där det hydrodynamiska trycket du behöver för att pressa gasen går ner, även om partikeltätheten ökar. "Kort sagt, konstigt som det kan tyckas, trängseln gör att molekylerna påskyndas.

Ett liknande fenomen, forskarna rapporterar nu, styr beteendet hos elektroner när de rusar genom en smal metallbit, där de rör sig i ett vätskeliknande flöde.

Resultatet är att, genom en tillräckligt smal, punktliknande sammandragning i en metall, elektroner kan flöda med en hastighet som överstiger vad som ansågs vara en grundläggande gräns, känd som Landauers ballistiska gräns. På grund av detta, laget har kallat den nya effekten "superballistisk" flöde. Detta representerar en stor minskning av metallens elektriska motstånd - även om det är mycket mindre droppe än vad som skulle krävas för att producera nollmotståndet i supraledande metaller. Dock, till skillnad från supraledning, som kräver extremt låga temperaturer, det nya fenomenet kan äga rum även vid rumstemperatur och kan därför vara mycket lättare att implementera för applikationer i elektroniska enheter.

Faktiskt, fenomenet ökar faktiskt när temperaturen stiger. I motsats till supraledning, Levitov säger, superballistiskt flöde "stöds av temperatur, snarare än hindras av det. "

Genom denna mekanism, Levitov säger, "vi kan övervinna denna gräns som alla trodde var en grundläggande gräns för hur hög konduktans kan vara. Vi har visat att man kan göra bättre än så."

Han säger att även om just detta papper är rent teoretiskt, andra lag har redan bevisat sina grundläggande förutsägelser experimentellt. Även om hastigheten som observeras i flödande gaser i det analoga fallet kan uppnå en tiofaldig eller högre hastighet, återstår att se om förbättringar av den storleken kan uppnås för elektrisk konduktans. Men även blygsam minskning av motståndet i vissa elektroniska kretsar kan vara en betydande förbättring, han säger.

"Detta arbete är försiktigt, elegant, och överraskande-alla kännetecken för forskning av mycket hög kvalitet, "säger David Goldhaber-Gordon, en professor i fysik vid Stanford University som inte var inblandad i denna forskning. "I vetenskap, Jag känner fenomen som förvirrar våra intuitioner är alltid användbara för att sträcka vår känsla för vad som är möjligt. Här, tanken att fler elektroner kan passa genom en bländare om elektronerna avböjer varandra snarare än att resa fritt och oberoende är ganska kontraintuitivt, faktiskt motsatsen till vad vi är vana vid. Det är särskilt spännande att Levitov och medarbetare tycker att konduktansen i sådana system följer en så enkel regel. "

Även om detta arbete var teoretiskt, Goldhaber-Gordon tillägger, "Att testa Levitovs enkla och slående förutsägelser experimentellt kommer att bli riktigt spännande och troligt att uppnå i grafen. ... Forskare har föreställt sig att bygga nya typer av elektroniska switchar baserat på ballistiskt elektronflöde. Levitovs teoretiska insikter, om experimentellt validerat, skulle vara mycket relevant för denna idé:Superballistisk flöde kan tillåta dessa växlar att prestera bättre än förväntat (eller kan visa att de inte fungerar som man hoppats). "

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.