En ny förståelse av fysiken hos ledande material har upptäckts av forskare som observerar den ovanliga rörelsen av elektroner i grafen.

Grafen är många gånger mer ledande än koppar tack, till viss del, till dess tvådimensionella struktur. I de flesta metaller, ledningsförmågan begränsas av kristallimperfektioner som gör att elektroner ofta sprids som biljardbollar när de rör sig genom materialet.

Nu, observationer i experiment vid National Graphene Institute har gett väsentlig förståelse för det märkliga beteendet hos elektronflöden i grafen, som måste beaktas vid utformningen av framtida nanoelektroniska kretsar.

I vissa högkvalitativa material, som grafen, elektroner kan resa mikronsträckor utan att spridas, förbättra konduktiviteten i storleksordningar. Denna så kallade ballistiska regim, ålägger högsta möjliga konduktans för alla normala metaller, som definieras av Landauer-Buttikers formalism.

Visas idag i Naturfysik , forskare vid University of Manchester, i samarbete med teoretiska fysiker ledda av professor Marco Polini och professor Leonid Levitov, visa att Landauers grundläggande gräns kan överskridas i grafen. Ännu mer fascinerande är mekanismen som är ansvarig för detta.

Förra året, ett nytt fält inom fasta tillståndets fysik kallat "elektronhydrodynamik" skapade ett enormt vetenskapligt intresse. Tre olika experiment, inklusive en framförd av University of Manchester, visat att vid vissa temperaturer, elektroner kolliderar med varandra så ofta att de börjar flöda kollektivt som en trögflytande vätska.

Den nya forskningen visar att denna viskösa vätska är ännu mer ledande än ballistiska elektroner. Resultatet är ganska kontraintuitivt, eftersom spridningshändelser vanligtvis sänker ledningsförmågan hos ett material, eftersom de hämmar rörelse i kristallen. Dock, när elektroner kolliderar med varandra, de börjar arbeta tillsammans och underlättar strömflödet.

Detta händer eftersom vissa elektroner stannar nära kristallkanterna, där momentumförlusten är högst, och gå ganska långsamt. På samma gång, de skyddar närliggande elektroner från att kollidera med dessa regioner. Följaktligen, vissa elektroner blir superballistiska när de leds genom kanalen av sina vänner.

Sir Andre Geim sa:"Vi vet från skolan att ytterligare störningar alltid skapar extra elektriskt motstånd. I vårt fall, störning inducerad av elektronspridning minskar faktiskt snarare än ökar motståndet. Detta är unikt och ganska kontraintuitivt:när elektroner utgör en vätska börjar fortplanta sig snabbare än om de vore fria, som i vakuum".

Forskarna mätte motståndet hos grafenförträngningar, och fann att den minskar vid stigande temperatur, i motsats till det vanliga metalliska beteendet som förväntas för dopad grafen.

Genom att studera hur motståndet över förträngningarna förändras med temperaturen, forskarna avslöjade en ny fysisk storhet som de kallade den viskösa konduktansen. Mätningarna gjorde det möjligt för dem att bestämma elektronviskositet med så hög precision att de extraherade värdena visade anmärkningsvärt kvantitativt överensstämmelse med teorin.