Fysiker vid Weizmann Institute of Science i Israel har avbildat elektroner som flyter visköst genom en nanodev, precis som vatten som rinner genom ett rör. Långt förutsagt men först nu visualiserat för första gången, detta nyfikna nya beteende för elektroner har viktiga konsekvenser för framtida elektroniska enheter.

Från vrålande vågor till virvlande bubbelpooler, flödet av en vätska kan vara extremt rikt. Sådana olika fenomen är resultatet av de många kollisioner som uppstår mellan partiklarna som utgör en vätska, och beskrivs av hydrodynamikens fysik. Dock, trots att den är negativt laddad, elektroner flödar vanligtvis genom en ledare som en gas på ett randomiserat sätt i huvudsak utan att avvisa varandra. Detta beror på att de flesta ledare är tillverkade av material som är mycket störda, och elektronerna som strömmar inuti kolliderar oftare med de många orenheterna och bristerna. För att få elektroner att flöda som en vätska, man behöver en mer avancerad konduktör, till exempel, grafen-ett atom-tjockt kolark, som kan göras exceptionellt ren. "Teorier tyder på att flytande elektroner kan utföra coola bedrifter som deras ballistiska eller diffusiva motsvarigheter inte kan. Men för att få ett tydligt bevis på att elektroner verkligen kan bilda ett flytande tillstånd, vi ville direkt visualisera deras flöde, "sade professor Shahal Ilani, chef för Weizmann -teamet vid Institutionen för kondenserad materiefysik.

Att visualisera hydrodynamiskt elektronflöde i ett material som grafen är inte enkelt, fastän, eftersom det kräver en speciell teknik som samtidigt är tillräckligt kraftfull för att titta inuti ett material, men ändå skonsam nog för att undvika att störa elektronflödet. Weizmann -teamet skapade en sådan teknik, som de publicerade nyligen i Naturnanoteknik . De producerade en nanoskalldetektor byggd av en kolnanorörstransistor som kan avbilda egenskaperna hos flödande elektroner med en aldrig tidigare skådad känslighet. "Vår teknik är minst 1000 gånger känsligare än alternativa metoder, vilket gör att vi kan bildfenomen som tidigare bara kunde studeras indirekt, "sa Dr Joseph Sulpizio, från Weizmann.

I deras nya tidning, nu publicerad i Natur , Weizmann-forskarna använde sin nya bildteknik på toppmoderna grafenanordningar som producerades av gruppen Prof. Andre Geim vid University of Manchester. Dessa enheter formas till kanaler som styr de flödande elektronerna, på samma sätt som ett rör styr vattenflödet. Och precis som vatten rinner genom ett rör, elektronerna i grafen observerades flöda snabbare i mitten av kanalerna och långsammare vid väggarna, vilket är kännetecknet för hydrodynamiskt flöde.

Detta arbete visar att mönstren för en konventionell vätska kan efterliknas av elektroner. Detta kan vara fördelaktigt för att skapa nya typer av elektroniska enheter, inklusive lågeffektsanordningar där det hydrodynamiska flödet sänker det elektriska motståndet. "Datacenter och konsumentelektronik slukar en allt större mängd energi, och mot bakgrund av klimatförändringarna, det är absolut nödvändigt att hitta sätt att få elektroner att flöda med mindre motstånd, "sa doktor Lior Ella från Weizmann.