Forskare vid University of Manchester i Storbritannien har upptäckt att Hall-effekten – ett fenomen som är välkänt i mer än ett sekel – inte längre är så universellt som det troddes vara.

I forskningsrapporten publicerad i Vetenskap Denna vecka, gruppen ledd av Prof Sir Andre Geim och Dr. Denis Bandurin, fann att Hall-effekten till och med kan vara betydligt svagare, om elektroner starkt interagerar med varandra vilket ger upphov till ett trögflytande flöde. Det nya fenomenet är viktigt vid rumstemperatur – något som kan ha viktiga konsekvenser för när man tillverkar elektroniska eller optoelektroniska enheter.

Precis som molekyler i gaser och vätskor, elektroner i fasta ämnen kolliderar ofta med varandra och kan därför också bete sig som trögflytande vätskor. Sådana elektronvätskor är idealiska för att hitta nya beteenden hos material där elektron-elektron-interaktioner är särskilt starka. Problemet är att de flesta material sällan är tillräckligt rena för att låta elektroner komma in i det viskösa regimen. Detta beror på att de innehåller många föroreningar som elektroner kan sprida innan de hinner interagera med varandra och organisera ett trögflytande flöde.

Grafen kan komma till stor nytta här:kolskiktet är ett mycket rent material som bara innehåller några få defekter, föroreningar och fononer (vibrationer i kristallgittret inducerade av temperatur) så att elektron-elektroninteraktioner blir den huvudsakliga källan till spridning, vilket leder till ett trögflytande elektronflöde.

"I tidigare arbete, vår grupp fann att elektronflödet i grafen kan ha en viskositet så hög som 0,1 m ² s ^-1 , som är 100 gånger högre än honungs, " sade Dr. Bandurin "I denna första demonstration av elektronhydrodynamik, vi upptäckte mycket ovanliga fenomen som negativt motstånd, elektronvirvlar och superballistiskt flöde."

Ännu mer ovanliga effekter uppstår när ett magnetfält appliceras på grafens elektroner när de befinner sig i det viskösa regimen. Teoretiker har redan i stor utsträckning studerat elektromagnetohydrodynamik på grund av dess relevans för plasma i kärnreaktorer och neutronstjärnor, samt för vätskemekanik i allmänhet. Men, inget praktiskt experimentellt system för att testa dessa förutsägelser (såsom stor negativ magnetoresistans och onormal Hall-resistivitet) var lätt tillgänglig förrän nu.

I sina senaste experiment, Manchester-forskarna gjorde grafenenheter med många spänningssonder placerade på olika avstånd från den elektriska strömvägen. Vissa av dem var mindre än en mikron från varandra. Geim och kollegor visade att medan Hall-effekten är helt normal om den mäts på stora avstånd från den nuvarande vägen, dess storlek minskar snabbt om den undersöks lokalt, med kontakter nära den aktuella injektorn.

"Beteendet skiljer sig radikalt från den vanliga lärobokens fysik", säger Alexey Berdyugin, en Ph.D. elev som utförde experimentarbetet. "Vi observerar att om spänningskontakterna är långt från de nuvarande kontakterna, vi mäter det gamla, tråkig Hall-effekt, istället för denna nya "viskösa Hall-effekt". Men, om vi placerar spänningssonderna nära ströminsprutningspunkterna – det område där viskositeten visar sig mest dramatiskt som virvlar i elektronflödet – så finner vi att Hall-effekten minskar.

"Kvalitativa förändringar i elektronflödet orsakade av viskositet kvarstår även vid rumstemperatur om grafenenheter är mindre än en mikron i storlek, säger Berdyugin. "Eftersom denna storlek har blivit rutin nu för tiden när det gäller elektroniska enheter, de viskösa effekterna är viktiga när man tillverkar eller studerar grafenanordningar."