Detta hydrodynamiska beteende skulle kunna ge effektivare anordningar. Kredit:Rina Goh/National University of Singapore
Du vill normalt inte blanda el och vatten, men elektricitet som beter sig som vatten har potential att förbättra elektroniska enheter. Nyligen arbete från grupperna av ingenjör James Hone vid Columbia och teoretisk fysiker Shaffique Adam vid National University of Singapore och Yale-NUS bygger ny förståelse för detta ovanliga hydrodynamiska beteende som ändrar några gamla antaganden om metallers fysik. Studien publicerades den 15 april i tidskriften Science Advances .
I arbetet studerade teamet beteendet hos en ny halvledare där negativt laddade elektroner och positivt laddade "hål" samtidigt bär ström. De fann att denna ström kan beskrivas med bara två "hydrodynamiska" ekvationer:en som beskriver hur elektronerna och hålen glider mot varandra, och en andra för hur alla laddningar rör sig tillsammans genom materialets atomnät.
"Enkla formler betyder vanligtvis enkel fysik," sa Hone, som blev förvånad när Adams postdoc, Derek Ho, byggde den nya modellen, som utmanar antaganden som många fysiker lär sig om metaller tidigt i sin utbildning. "Vi fick alla lära oss att i en normal metall är allt du egentligen behöver veta hur en elektron studsar av olika typer av brister," sa Hone. "I det här systemet gäller helt enkelt inte de grundläggande modellerna vi lärde oss om i våra första kurser."
I metalltrådar som bär en elektrisk ström finns det många rörliga elektroner som i stort sett ignorerar varandra, som åkare på en fullsatt tunnelbana. När elektronerna rör sig stöter de oundvikligen på antingen fysiska defekter i materialet som bär dem eller vibrationer som får dem att spridas. Strömmen saktar ner och energi går förlorad. Men i material som har mindre antal elektroner, interagerar dessa elektroner faktiskt starkt med varandra och kommer att flyta ihop, som vatten genom ett rör. De stöter fortfarande på samma brister, men deras beteende är helt annorlunda:istället för att tänka på att enskilda elektroner sprids slumpmässigt, måste du nu behandla hela uppsättningen av elektroner (och hål) tillsammans, sa Hone.
För att experimentellt testa sin enkla nya modell av hydrodynamisk konduktivitet, studerade teamet tvåskiktsgrafen - ett material tillverkat av två atomtunna ark av kol. Hones Ph.D. eleven Cheng Tan mätte elektrisk ledningsförmåga från rumstemperatur ner till nära absolut noll när han varierade tätheten av elektroner och hål. Tan och Ho hittade en utmärkt matchning mellan modellen och deras resultat. "Det är slående att experimentella data stämmer så mycket bättre överens med hydrodynamisk teori än gammal "standardteori" om konduktivitet," sa Ho.
Modellen fungerade när materialet trimmades på ett sätt som gör att konduktiviteten kan slås på och av, och det hydrodynamiska beteendet var framträdande även vid rumstemperatur. "Det är verkligen anmärkningsvärt att tvåskiktsgrafen har studerats i över 15 år, men hittills har vi inte förstått dess ledningsförmåga vid rumstemperatur korrekt", säger Hone, som också är professor i Wang Fong-Jen och ordförande vid institutionen för maskinteknik. vid Columbia Engineering.
Konduktivitet med låg resistans vid rumstemperatur kan ha mycket praktiska tillämpningar. Befintliga supraledande material, som leder elektricitet utan motstånd, måste hållas otroligt kalla. Material som kan hydrodynamiskt flöde kan hjälpa forskare att bygga mer effektiva elektroniska enheter – så kallade viskös elektronik – som inte kräver så intensiv och dyr kylning.
På en mer grundläggande nivå verifierade teamet att glidrörelsen mellan elektroner och hål inte är specifik för grafen, säger Adam, docent från Institutionen för materialvetenskap och teknik vid National University of Singapore och Division of Science vid Yale -NUS College. Eftersom denna relativa rörelse är universell, bör forskare kunna hitta den i andra material - särskilt eftersom förbättring av tillverkningstekniker fortsätter att ge renare och renare prover, som Hone Lab har fokuserat på att utveckla under det senaste decenniet. I framtiden kan forskare också designa specifika geometrier för att ytterligare förbättra prestandan hos enheter som är byggda för att dra fördel av detta unika vattenliknande kollektiva beteende. + Utforska vidare
