Studiuesit eksplorojnë një gjysmëpërçues hidrodinamik ku elektronet rrjedhin si uji
Zakonisht nuk dëshironi të përzieni energjinë elektrike dhe ujin, por energjia elektrike që sillet si uji ka potencialin për të përmirësuar pajisjet elektronike. Puna e fundit nga grupet e inxhinierit James Hone në Kolumbia dhe fizikantit teorik Shaffique Adam në Universitetin Kombëtar të Singaporit dhe Yale-NUS ndërton një kuptim të ri të kësaj sjelljeje të pazakontë hidrodinamike që ndryshon disa supozime të vjetra rreth fizikës së metaleve. Studimi u publikua më 15 prill në revistën Science Advances.
Në punë, ekipi studioi sjelljen e një gjysmëpërçuesi të ri në të cilin elektronet e ngarkuara negativisht dhe “vrimat” e ngarkuara pozitivisht mbajnë njëkohësisht rrymë. Ata zbuluan se kjo rrymë mund të përshkruhet vetëm me dy ekuacione “hidrodinamike”: njëra që përshkruan se si elektronet dhe vrimat rrëshqasin kundër njëri-tjetrit, dhe e dyta për mënyrën se si të gjitha ngarkesat lëvizin së bashku përmes rrjetës atomike të materialit.
“Formulat e thjeshta zakonisht nënkuptojnë fizikë të thjeshtë,” tha Hone, i cili u habit kur postdokumenti i Adamit, Derek Ho, ndërtoi modelin e ri, i cili sfidon supozimet që shumë fizikanë mësojnë rreth metaleve në fillim të arsimimit të tyre. “Të gjithëve na mësuan se në një metal normal, gjithçka që duhet të dini është se si një elektron kërcen nga lloje të ndryshme papërsosmërish,” tha Hone. “Në këtë sistem, modelet bazë për të cilat mësuam në kurset tona të para thjesht nuk zbatohen.”
Në telat metalikë që mbajnë një rrymë elektrike, ka shumë elektrone lëvizëse që kryesisht injorojnë njëri-tjetrin, si kalorës në një metro të mbushur me njerëz. Ndërsa elektronet lëvizin, ato në mënyrë të pashmangshme hasin ose në defekte fizike në materialin që i mbart ose dridhje që i bëjnë ato të shpërndahen. Rryma ngadalësohet dhe energjia humbet. Por, në materialet që kanë numër më të vogël elektronesh, ato elektrone në fakt ndërveprojnë fuqishëm me njëri-tjetrin dhe do të rrjedhin së bashku, si uji përmes një tubi. Ata ende hasin të njëjtat papërsosmëri, por sjellja e tyre është krejtësisht e ndryshme: në vend që të mendoni për elektronet individuale që shpërndahen rastësisht, tani duhet të trajtoni të gjithë grupin e elektroneve (dhe vrimave) së bashku, tha Hone.
Për të testuar eksperimentalisht modelin e tyre të ri të thjeshtë të përçueshmërisë hidrodinamike, ekipi studioi grafenin me dy shtresa – një material i bërë nga dy fletë karboni të holla si atomi. Hone’s Ph.D. Studenti Cheng Tan mati përçueshmërinë elektrike nga temperatura e dhomës deri në afërsisht zero absolute, ndërsa ai ndryshonte densitetin e elektroneve dhe vrimave. Tan dhe Ho gjetën një përputhje të shkëlqyer mes modeles dhe rezultateve të tyre. “Është e habitshme që të dhënat eksperimentale përputhen shumë më mirë me teorinë hidrodinamike sesa “teoria standarde” e vjetër rreth përçueshmërisë”, tha Ho.
Modeli funksiononte kur materiali akordohej në një mënyrë që lejonte përçueshmërinë të ndizet dhe fiket, dhe sjellja hidrodinamike ishte e dukshme edhe në temperaturën e dhomës. “Është vërtet e mrekullueshme që grafeni i dyfishtë është studiuar për më shumë se 15 vjet, por deri më tani ne nuk e kemi kuptuar saktë përçueshmërinë e tij në temperaturën e dhomës,” tha Hone, i cili është gjithashtu profesor Wang Fong-Jen dhe kryetar i Departamentit të Inxhinierisë Mekanike. në Columbia Engineering.
Përçueshmëria me rezistencë të ulët dhe në temperaturën e dhomës mund të ketë aplikime shumë praktike. Materialet ekzistuese superpërcjellëse, të cilat përcjellin elektricitetin pa rezistencë, duhet të mbahen tepër të ftohta. Materialet e afta për rrjedhje hidrodinamike mund të ndihmojnë studiuesit të ndërtojnë pajisje elektronike më efikase – të njohura si elektronikë viskoze – që nuk kërkojnë ftohje kaq intensive dhe të shtrenjtë.
Në një nivel më themelor, ekipi verifikoi se lëvizja rrëshqitëse midis elektroneve dhe vrimave nuk është specifike për grafenin, tha Adam, profesor i asociuar nga Departamenti i Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve në Universitetin Kombëtar të Singaporit dhe Divizioni i Shkencës në Yale. – Kolegji NUS. Për shkak se kjo lëvizje relative është universale, studiuesit duhet të jenë në gjendje ta gjejnë atë në materiale të tjera – veçanërisht pasi përmirësimi i teknikave të fabrikimit vazhdon të japë mostra më të pastra dhe më të pastra, të cilat Hone Lab është fokusuar në zhvillimin e dekadës së fundit. Në të ardhmen, studiuesit mund të hartojnë gjithashtu gjeometri specifike për të përmirësuar më tej performancën e pajisjeve të ndërtuara për të përfituar nga kjo sjellje unike kolektive e ngjashme me ujin.