Genom att studera hur elektroner i tvådimensionell grafen bokstavligen kan agera som en vätska, forskare har banat väg för ytterligare forskning om ett material som har potential att möjliggöra framtida elektroniska datorenheter som överträffar kiseltransistorer.

Forskning om en ny metod för att mer exakt demonstrera vätskeliknande elektronbeteende i grafen, utvecklad av Rensselaer-forskaren Ravishankar Sundararaman och ett team från Quazar Technologies i Indien ledd av Mani Chandra, publicerades nyligen i Fysisk granskning B .

Grafen är ett enda atomlager av grafit som har fått mycket uppmärksamhet på grund av dess unika elektroniska egenskaper. Nyligen, Sundararaman sa, forskare har föreslagit att under de rätta förhållandena, elektroner i grafen kan flyta som en vätska på ett sätt som inte liknar något annat material.

För att illustrera detta, Sundararaman jämför elektroner med vattendroppar. När bara några få droppar kantar botten av en burk, deras rörelse är förutsägbar eftersom de följer behållarens rörelse när den lutar sida till sida. Det är så elektroner beter sig i de flesta material när de kommer i kontakt med atomer och studsar av dem. Detta leder till Ohms lag, observationen att den elektriska strömmen som flyter genom ett material är proportionell mot spänningen som appliceras över det. Ta bort spänningen, och strömmen stannar.

Föreställ dig nu ett glas som är halvfullt med vatten. Rörelsen av vätska, speciellt när du skakar burken, är mycket mindre enhetlig eftersom vattenmolekylerna mestadels kommer i kontakt med varandra istället för burkens väggar, låter vattnet skvalpa och virvla. Även när du slutar flytta glaset, vattnets rörelse fortsätter. Sundararaman jämför detta med hur elektroner fortsätter att flöda i grafen, även efter att spänningen har upphört.

Forskare hade känt till att elektroner i grafen hade potential att agera på detta sätt, men att köra experiment för att skapa de nödvändiga förutsättningarna för detta beteende är svårt. Tidigare, Sundararaman sa, forskare applicerade spänning på ett material och letade efter negativt motstånd, men det var inte en särskilt känslig metod.

De beräkningar som Sundararaman och hans team presenterade i detta senaste arbete visar att genom att oscillera spänningen – som efterliknar skakrörelsen i burkexemplet – kan forskare mer exakt identifiera och mäta de virvel som skapas och elektronernas hydrodynamiska beteende.

"Du kan få riktigt konstiga och användbara elektroniska egenskaper ur det här, sade Sundararaman, biträdande professor i materialvetenskap och teknik. "Eftersom det rinner som en vätska, den har potential att hålla farten och fortsätta. Du kan ha ledning med mycket mindre energiförlust, vilket är extremt användbart för att göra enheter med låg effekt riktigt snabba."

Sundararaman gjorde det klart att mycket mer forskning måste göras innan en sådan enhet kan skapas och tillämpas på elektronik. Men metoden som denna uppsats beskriver, inklusive de mätningar som forskare säger bör göras, kommer att möjliggöra mer exakt observation av detta hydrodynamiska flöde av elektroner i grafen och andra lovande material.