Graphene kommer att förändra världen - eller så har vi fått höra.

Sedan upptäckten för ett decennium sedan, forskare och tekniska guruer har hyllat grafen som undermaterialet som kan ersätta kisel i elektronik, öka batteriets effektivitet, pekskärmarnas hållbarhet och konduktivitet och bana väg för billig termisk elektrisk energi, bland många andra saker.

Det är en atom tjockt, starkare än stål, hårdare än diamant och ett av de mest ledande materialen på jorden.

Men, flera utmaningar måste övervinnas innan grafenprodukter släpps ut på marknaden. Forskare försöker fortfarande förstå grundfysiken för detta unika material. Också, det är mycket utmanande att göra och ännu svårare att göra utan föroreningar.

I en ny artikel publicerad i Vetenskap , forskare vid Harvard och Raytheon BBN Technology har avancerat vår förståelse av grafens grundläggande egenskaper, för första gången observera elektroner i en metall som beter sig som en vätska.

För att göra denna observation, laget förbättrade metoder för att skapa ultrarent grafen och utvecklade ett nytt sätt att mäta dess värmeledningsförmåga. Denna forskning kan leda till nya termoelektriska enheter samt tillhandahålla ett modellsystem för att utforska exotiska fenomen som svarta hål och högenergiplasma.

Denna forskning leds av Philip Kim, professor i fysik och tillämpad fysik vid John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

En elektron super motorväg

I vanliga fall, tredimensionella metaller, elektroner interagerar knappast med varandra. Men grafen är tvådimensionell, bikakestruktur fungerar som en elektronisk motorväg där alla partiklar måste färdas i samma körfält. Elektronerna i grafen fungerar som masslösa relativistiska objekt, vissa med positiv laddning och några med negativ laddning. De rör sig med otrolig hastighet - 1/300 av ljusets hastighet - och har förutspåtts att kollidera med varandra tio biljoner gånger i sekunden vid rumstemperatur. Dessa intensiva interaktioner mellan laddningspartiklar har aldrig observerats i en vanlig metall tidigare.

Teamet skapade ett ultrarent prov genom att smörja in det enatom tjocka grafenarket mellan tiotals lager av en elektriskt isolerande perfekt transparent kristall med en liknande atomstruktur av grafen.

"Om du har ett material som är en atom tjockt, det kommer verkligen att påverkas av sin miljö, "sa Jesse Crossno, en doktorand i Kim Lab och första författare till tidningen. "Om grafen är ovanpå något som är grovt och oordning, det kommer att störa hur elektronerna rör sig. Det är verkligen viktigt att skapa grafen utan störningar från omgivningen. "

Tekniken utvecklades av Kim och hans medarbetare vid Columbia University innan han flyttade till Harvard 2014 och har nu blivit perfekt i sitt laboratorium på SEAS.

Nästa, laget skapade en slags termisk soppa av positivt laddade och negativt laddade partiklar på ytan av grafen, och observerade hur dessa partiklar flödade som termiska och elektriska strömmar.

Det de observerade flög inför allt de visste om metaller.

Ett svart hål på ett chip

Det mesta av vår värld - hur vattnet flödar (hydrodynamik) eller hur en kurvkula böjer sig - beskrivs av klassisk fysik. Mycket små saker, som elektroner, beskrivs av kvantmekanik medan mycket stora och mycket snabba saker, som galaxer, beskrivs av relativistisk fysik, föregångare av Albert Einstein.

Att kombinera dessa fysiklagar är notoriskt svårt men det finns extrema exempel där de överlappar varandra. Högenergisystem som supernovor och svarta hål kan beskrivas genom att koppla klassiska teorier om hydrodynamik med Einsteins relativitetsteorier.

Men det är svårt att köra ett experiment på ett svart hål. Ange grafen.

När de starkt interagerande partiklarna i grafen drevs av ett elektriskt fält, de betedde sig inte som enskilda partiklar utan som en vätska som kunde beskrivas med hydrodynamik.

"Istället för att titta på hur en enda partikel påverkades av en elektrisk eller termisk kraft, vi kunde se den bevarade energin när den flödade över många partiklar, som en våg genom vatten, sa Crossno.

"Fysik upptäckte vi genom att studera svarta hål och strängteori, vi ser i grafen, "sa Andrew Lucas, medförfattare och doktorand med Subir Sachdev, Herchel Smith professor i fysik vid Harvard. "Detta är det första modellsystemet för relativistisk hydrodynamik i en metall."

Går vidare, ett litet chip av grafen kan användas för att modellera vätskeliknande beteende hos andra högenergisystem.

Industriella konsekvenser

Så vi vet nu att starkt interagerande elektroner i grafen beter sig som en vätska - hur främjar det industriella tillämpningar av grafen?

Först, för att observera det hydrodynamiska systemet, laget behövde utveckla ett exakt sätt att mäta hur väl elektroner i systemet bär värme. Det är väldigt svårt att göra, sade co-PI Dr. Kin Chung Fong, forskare med Raytheon BBN -teknik.

Material leder värme på två sätt:genom vibrationer i atomstrukturen eller gitteret; och bärs av elektronerna själva.

"Vi behövde hitta ett smart sätt att ignorera värmeöverföringen från gallret och bara fokusera på hur mycket värme som transporteras av elektronerna, Sa Fong.

Att göra så, laget vände sig till buller. Vid begränsad temperatur, elektronerna rör sig slumpmässigt:ju högre temperatur, de bullrigare elektronerna. Genom att mäta elektronernas temperatur till tre decimaler, teamet kunde exakt mäta värmeledningsförmågan hos elektronerna.

"Att omvandla termisk energi till elektriska strömmar och vice versa är notoriskt svårt med vanliga material, "sa Lucas." Men i princip, med ett rent grafenprov kanske det inte finns någon gräns för hur bra en enhet du kan göra. "