Elektriskt motstånd är ett enkelt koncept:Snarare som att friktion saktar ner ett föremål som rullar på en yta, motstånd bromsar elektronflödet genom ett ledande material. Men två fysiker har nu funnit att elektroner ibland kan samarbeta för att vända motståndet mot huvudet, producerar virvlar och bakåtflöde av elektrisk ström.

Prognosen för "negativt motstånd" är bara en av en uppsättning kontraintuitiva och bisarra vätskeliknande effekter som uppstår under vissa exotiska omständigheter, involverar system av starkt interagerande partiklar i ett ark grafen, en tvådimensionell form av kol. Fynden beskrivs i ett papper som finns i dag i tidningen Naturfysik , av MIT -professor i fysik Leonid Levitov och Gregory Falkovich, professor vid Israels Weizmann Institute of Science.

Elektroner i grafen rör sig på ett snyggt samordnat sätt, på många sätt liknar rörelsen av viskösa vätskor genom ett rör där de påverkas starkt av turbulens och virvlar. Detta beror på att interaktioner ger ett långsiktigt strömfältsvar, helt annorlunda än det enkla "individualistiska" beteendet som förväntas under vanliga omständigheter, när elektroner rör sig i raka linjer som flipperspel som studsar bland jonerna, som beskrivs av Ohms lag, säger forskarna.

Begreppet elektronviskositet hade föreslagits tidigare i teorin, men det hade visat sig svårt att testa eftersom ingen hade kommit på ett sätt att direkt observera sådana fenomen. Nu, Levitov och Falkovich säger att de har räknat ut en uppsättning tecken som kan tjäna som en indikator på sådana kollektiva effekter i elektronflöden.

Detta arbete är "en anmärkningsvärd tillämpning av teoretisk insikt i förutsägelsen av en ny experimentellt observerbar effekt, "säger Subir Sachdev, en professor i fysik vid Harvard University som inte var inblandad i detta arbete. Han säger att denna insikt är "mycket viktig och öppnar ett nytt kapitel i studiet av elektronflöde i metaller."

Ett riktmärkesystem

"Det fanns alltid en slags dikotomi mellan vad som är lätt att göra i teorin och vad som är lätt att göra i experiment, "Säger Levitov." Det letades efter ett idealiskt system som skulle vara lätt för experimenter att arbeta med och också vara ett riktmärke med starka interaktioner som skulle visa starka interaktiva fenomen. "Nu, han säger, grafen ger många av de eftertraktade egenskaperna hos ett sådant system.

På en grafenyta, Levitov säger, "du har elektroner som beter sig som relativistiska partiklar kopplade till interaktioner som är långväga och ganska starka." Med ett möjligt undantag för exotiska vätskor som kvark-gluonplasma, han säger, grafen kan vara närmare föreställningen om en perfekt "starkt interagerande vätska, "ett viktigt teoretiskt begrepp i kvantfysik, än något annat system som vi för närvarande känner till.

Laddningsbärarnas kollektiva beteende i sådana starkt interagerande system är ganska märkligt. "Faktiskt, det skiljer sig inte så mycket från vätskemekanik, "Säger Levitov. Hur vätskor rör sig kan beräknas" med mycket liten kunskap om hur enskilda atomer i vätskan interagerar. Vi bryr oss inte så mycket om de enskilda rörelserna; det är det kollektiva beteendet som spelar roll i sådana situationer, han säger.

I grafenmiljön, kvanteffekter, som vanligtvis är obetydliga i skalor som är större än för enskilda partiklar, spela en dominerande roll, han säger. I denna inställning, "vi visar att [hur laddningsbärare rör sig] har ett kollektivt beteende som liknar andra starkt interagerande vätskor, som vatten."

Hur upptäcker man det?

Men även om det är sant i teorin, han säger, "frågan är, även om vi har det " - det vill säga, detta vätskeliknande beteende-"hur upptäcker vi det? Till skillnad från vanliga vätskor, där du direkt kan spåra flödet genom att lägga några pärlor i det, till exempel, i detta system har vi inget sätt att se flödet direkt. "Men på grund av den tvådimensionella strukturen av grafen, medan elektroner rör sig genom materialet "kan vi få information från elektriska mätningar" gjorda utifrån, där det är möjligt att placera sonderna när som helst på arket.

Det nya tillvägagångssättet bygger på det faktum att "om du har ett visköst flöde, du förväntar dig att de olika delarna av vätskan kommer att dra på varandra och producera bubbelpooler. De kommer att skapa ett flöde som kommer att dra på närliggande partiklar och kommer att driva en virvel, "Säger Levitov. Specifikt, ett direktflöde i mitten av ett grafenband kommer att åtföljas av bubbelpooler som utvecklas längs sidorna. I de bubbelpoolerna, elektroner kan faktiskt flöda i motsatt riktning mot det applicerade elektriska fältet - vilket resulterar i vad fysikerna kallar negativt motstånd.

Även om bubbelpoolerna själva inte kan observeras direkt, elektronflödets bakåtgående rörelse i vissa delar av materialet kan mätas och jämföras med de teoretiska förutsägelserna.

Även om Levitov och Falkovich inte personligen har utfört sådana experiment, Levitov säger att vissa nyligen gåtfulla fynd tycks passa det förutspådda mönstret. I ett experiment som just rapporterats, han säger "forskare såg något liknande, där spänningen på sidan blir negativ. Det är mycket frestande att säga "att det de såg är en manifestation av de fenomen som detta arbete förutsäger.

Inte bara analogi

Jämförelsen av elektronbeteende i grafen med vätskedynamik "är inte bara en analogi, men en direkt korrespondens, "Säger Levitov. Men det finns viktiga skillnader, inklusive det faktum att denna vätska bär elektrisk laddning, så det beter sig inte precis som vatten som rinner i ett rör utan snarare på ett sätt som liknar vissa plasma, som i huvudsak är moln av laddade partiklar.

Eftersom detta är ett tidigt arbete, Levitov säger, Det är för tidigt att säga om det någonsin kan ha några praktiska tillämpningar. Men en överraskande konsekvens av detta arbete är att värmetransport kan koppla starkt till laddningstransport. Det är, värme kan köra ovanpå laddningsflödet och föröka sig på ett vågliknande sätt mycket snabbare än under vanliga förhållanden-kanske så mycket som 10 till 100 gånger snabbare. Detta beteende, om det uppnås, kan utnyttjas någon gång, kanske i sensorer med mycket snabba svarstider, spekulerar han.

Andre Geim, en professor i fysik för kondensat materia vid University of Manchester i Storbritannien som inte var inblandad i detta arbete, säger, "Det är en lysande teori, vilket överensstämmer mycket väl med våra senaste experimentella fynd. "Dessa experiment, han säger, "upptäckte virvlar som Levitovs grupp förutspådde och visade att elektronvätskan i grafen var 100 gånger mer viskös än honung, i motsats till den universella tron ​​att elektroner beter sig som en gas. "

Geim tillägger att grafen alltmer används i en mängd olika applikationer, och säger, "Elektroniska ingenjörer kan inte riktigt använda materialet utan förståelse för dess elektroniska egenskaper. Oavsett om dina elektroner rör sig som kulor eller simmar i treacle skapar bubbelpooler uppenbarligen en stor skillnad."

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.