När man rör sig genom ett ledande material i ett elektriskt fält, elektroner tenderar att följa det minsta motståndets väg - som går i riktning mot det fältet.

Men nu har fysiker vid MIT och University of Manchester funnit ett oväntat annorlunda beteende under mycket specialiserade förhållanden - ett som kan leda till nya typer av transistorer och elektroniska kretsar som kan visa sig vara mycket energieffektiva.

De har funnit att när ett ark med grafen - en tvådimensionell samling av rent kol - placeras ovanpå ett annat tvådimensionellt material, elektroner rör sig istället i sidled, vinkelrätt mot det elektriska fältet. Detta sker även utan påverkan av ett magnetfält - det enda andra kända sättet att inducera ett sådant sidledes flöde.

Vad mer, två separata strömmar av elektroner skulle flöda i motsatta riktningar, båda tvärs mot fältet, tar ut varandras elektriska laddningar för att producera en "neutral, laddningsfri ström, " förklarar Leonid Levitov, en MIT-professor i fysik och en senior författare till en artikel som beskrev dessa fynd denna vecka i tidskriften Vetenskap .

Den exakta vinkeln för denna ström i förhållande till det elektriska fältet kan kontrolleras exakt, säger Levitov. Han jämför det med en segelbåt som seglar vinkelrätt mot vinden, dess rörelsevinkel styrs genom att justera seglets position.

Levitov och medförfattaren Andre Geim i Manchester säger att detta flöde kan ändras genom att lägga på en minuts spänning på grinden, låter materialet fungera som en transistor. Strömmar i dessa material, att vara neutral, kanske inte slösar mycket av sin energi som värme, som sker i konventionella halvledare – vilket potentiellt gör de nya materialen till en mer effektiv bas för datorchips.

"Det är en allmän uppfattning att nya, okonventionella metoder för informationsbehandling är nyckeln för framtidens hårdvara, " säger Levitov. "Denna övertygelse har varit drivkraften bakom ett antal viktiga senaste utvecklingar, i synnerhet spintronik" - där spinn av elektroner, inte deras elektriska laddning, bär information.

Forskarna från MIT och Manchester har visat en enkel transistor baserad på det nya materialet, säger Levitov.

"Det är en ganska fascinerande effekt, och det träffar en mycket svag punkt i vår förståelse av komplexa, så kallade topologiska material, ", säger Geim. "Det är mycket sällsynt att stöta på ett fenomen som överbryggar materialvetenskap, partikelfysik, relativitet, och topologi."

I sina experiment, Levitov, Geim, och deras kollegor lade grafenet på ett lager av bornitrid - ett tvådimensionellt material som bildar en hexagonal gitterstruktur, som grafen gör. Tillsammans, de två materialen bildar ett supergitter som beter sig som en halvledare.

Detta supergitter gör att elektroner får en oväntad vridning - som Levitov beskriver som "en inbyggd virvel" - som ändrar deras rörelseriktning, ungefär som en bolls snurr kan kröka dess bana.

Elektroner i grafen beter sig som masslösa relativistiska partiklar. Den observerade effekten, dock, har ingen känd analog inom partikelfysik, och utökar vår förståelse av hur universum fungerar, säger forskarna.

Huruvida denna effekt kan utnyttjas för att minska energin som används av datorchips är fortfarande en öppen fråga, Levitov medger. Detta är ett tidigt fynd, och även om det helt klart finns en möjlighet att minska energiförlusten till värme lokalt, andra delar av ett sådant system kan motverka dessa vinster. "Detta är en fascinerande fråga som återstår att lösa, " säger Levitov.

Francisco Guinea, en forskningsprofessor vid Spaniens Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid, som inte var kopplad till denna forskning, kallar det tillvägagångssätt som detta team tog för "ny och fantasifull. … Karakteriseringen av dessa strömmar i grafen är ett mycket viktigt framsteg i förståelsen av tvådimensionella material."

Arbetet har stor potential, Guinea tillägger, eftersom "tvådimensionella material med speciella topologiska egenskaper är grunden för ny teknik för manipulering av kvantinformation."

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.