Curgerea electronilor ca apa prin grafen lansează un nou val în fizică

Fluxul salvator al electronilor

Electronii au fost prinşi curgând prin grafen asemeni unui lichid, atingând limitele considerate de fizicieni fundamental imposibile.
Acest tip de conductanţă este cunoscut ca fluxul ‘superbalist’ şi acest nou experiment sugerează că el ar putea revoluţiona modul în care noi conducem energia.

De fapt, fluxurile super-rapide apar când electronii se ciocnesc şi sar unul de la altul, ceva ce fizica din liceu spune că ar trebui să încetinească conductivitatea.

Deci, ce se întâmplă aici? Timp de decenii (en), oamenii de ştiinţă au speculat că, în anumite circumstanţe electronii s-ar putea opri să se comporte ca particule independente şi se ciocnesc într-atât de des încât încep să curgă ca un fluid vâscos cu tot felul de proprietăţi unice.

Abia anul trecut, cercetătorii au confirmat acest fenomen, arătând pentru prima dată că chiar şi la temperatura camerei electronii din grafen au fost capabili să acţioneze ca un fluid de 100 de ori mai vâscos decât mierea – ceva ce cercetătorii menţionează ca „ciudăţenie cuantică rezultată din mişcarea colectivă a [electronilor] (en)„.

Vedeţi şi: Supraconductibilitatea grafenului a fost deşteptată

Acum aceeaşi echipă, condusă de Sir Andre Geim (en) – fizicianul Universităţii din Manchester, care a câştigat Premiul Nobel 2010 pentru lucrarea sa ce caracteriza grafenul –  a arătat că acest fenomen de electroni lichizi este chiar mai nebun decât am crezut.

Prin dezvăluirea acestui comportament asemeni unui fluid, cercetătorii au fost capabili să observe electronii de grafen ce zdrobesc o limită fundamentală pentru electronii dintr-un metal obişnuit, cunoscută sub numele de limită balistică Landauer.

Aceasta este una dintre primele confirmări experimentale care demonstrează cât de puternic ar putea fi întregul nou tip de fizică şi cel mai important, aceasta ne sugerează că putem fi pe punctul de a găsi o modalitate cu totul nouă de a transfera energia electrică prim materiale cu o rezistenţă aproape de zero.

La moment, aceasta este ceva ce supraconductorii o pot atinge, dar abilitatea apare doar la temperaturi super-reci de sub 5.8 K (-267°C or -450°F).

Vedeţi şi: Fizicienii au descoperit o nouă stare a materiei în materialele supraconductoare

Dar, în cel mai recent studiu, cercetătorii au putut observa acest aşa numit flux superbalist (en) în interiorul grafenului la o temperatură relativ caldă de 150 K (-123°C and -190°F).

În realitate, rezistenţa de fapt a scăzut pe măsură ce temperatura a crescut, contrarul a ceea ce v-aţi fi aşteptat să se întâmple.

Pentru moment, aceasta este doare singurul studiu, iar alte echipe independente vor trebui să verifice rezultatele Universităţii din Manchester.

Dar, găsirea unei modalităţi ce ar conduce mai eficient electricitatea la temperaturi mai ridicate este unul din ‘Graalele Sfinte’ din fizică, deoarece aceasta ar putea deschide calea pentru aşa lucruri precum computerele super-eficiente sau reţele electrice care nu pierd 7% din energia lor sub formă de căldură.

Vedeţi şi: Energie curată şi nelimitată, Germania a pornit maşina care poate revoluţiona modul în care folosim energia

Acest fapt este destul de incitant, dar pentru comunitatea fizicienilor adevărata descoperire este faptul că aceasta este una dintre primele explorări detailate a acestui nou comportamentasemeni lichidului al electronilor  şi aceasta sugerează că noi abia am observat o mică parte a ceea cât de ciudat în realitate este el.

Lucrul ciudat aici este că, acest tip de flux de electroni e contrar la tot ceea ce ştim despre conductivitate – şi anume regulii ce spune că, cu cât mai mulţi electroni se împrăştie , cu atât mai puţin conductiv un material este.

Din această cauză, grafenul este deja de multe ori mai conductiv decât, spre exemplu cuprul – structura sa 2D îngustă are mult mai puţine imperfecţiuni decât materialele obişnuite, astfel electronii se deplasează prin el mai puţin împrăştiaţi şi se mişcă mai repede, ceea ce este cunoscut ca flux balistic.

Dar, un efect invers are loc atunci când electronii încep să lucreze împreună şi să se comporte ca un fluid – ceva ce conform acestui nou studiu este capabil să deblocheze fluxul superbalist.

„De la şcoală noi ştim că, dezordinea suplimentară creează întotdeauna o rezistenţă electrică suplimentară”, a spus Geim (en).

„În cazul nostru, dezordinea provocată de împrăştierea electronilor mai degrabă reduce, decât măreşte rezistenţa”.

„Aceasta este ceva unic şi neaşteptat: atunci când electronii se comportă ca lichidul ei încep să se răspândească mai repede decât dacă ar fi liberi, ca în vid”.

Cum aceasta funcţionează? În locul creşterii rezistenţei, electronii uneori se ciocnesc unul cu altul, începând să lucreze împreună şi să uşureze fluxul curentului.

În majoritatea metalelor, conductivitatea este limitată de imperfecţiunea structurii cristaline, care determină electronii să se împrăştie frecvent ca bilele de biliard atunci când se deplasează prin material.

Dar, în acest comportament de fluid unii electroni rămân aproape de margine, împiedicând efectiv atât ciocnirea altor electroni cu aceste regiuni cât şi încetinirea lor.

Ca urmare, unii electroni devin super-balistici, deoarece ei sunt ghidaţi prin canalele din grafen, ricoşând de la alţi electroni. Acelaş lucru se întâmplă într-un râu – curentul este mai rapid la mijloc.

Sir Geim şi echipa sa au numit această nouă cantitate fizică ‘conductivitate vâscoasă’.

Luând în considerare că, acesta este unul dintre primele studii ce dezvăluie aceste abilităţi  ale electronilor şi care, deja depăşesc limite majore ale fizicii, la sigur că pe viitor vom mai auzi multe despre asta.

Vom sta ochi şi urechi, aceste cercetări ne pot aduce beneficiile atât de necesare la ziua de azi, un colac salvator pentru civilizaţia umană.

Cercetarea a fost publicată în Nature Physics.