Tatiana Shepeleva/Shutterstock.com Elektronen wurden beim Durchströmen gefangen Graphen wie eine Flüssigkeit, Grenzen zu erreichen, die die Physiker grundsätzlich für unmöglich hielten.
Diese Art der Leitfähigkeit wird als „superballistische“ Strömung bezeichnet, und dieses neue Experiment legt nahe, dass sie die Art und Weise, wie wir Elektrizität leiten, revolutionieren könnte.
Und als wäre das nicht schon verrückt genug: Die superschnellen Ströme entstehen tatsächlich dadurch, dass Elektronen voneinander abprallen, etwas, das laut High-School-Physik die Leitfähigkeit verlangsamen sollte.
Also, was ist hier los? Für Jahrzehnte Wissenschaftler hatten spekuliert, dass Elektronen unter bestimmten Umständen aufhören könnten, sich wie Individuen zu verhalten, und so oft kollidieren, dass sie tatsächlich beginnen, wie eine viskose Flüssigkeit mit allen möglichen einzigartigen Eigenschaften zu fließen.
Aber es war nur letztes Jahr dass Forscher das Phänomen bestätigten und zum ersten Mal zeigten, dass Elektronen in Graphen selbst bei Raumtemperatur als eine Flüssigkeit wirken könnten, die 100-mal viskoser als Honig ist – etwas, das die Forscher als „ Quantenverrücktheit, die sich aus der kollektiven Bewegung von [Elektronen] ergibt '.
Jetzt das gleiche Team, angeführt von Sir Andre Geim – der Physiker der Universität Manchester, der 2010 für seine Arbeit zur Charakterisierung von Graphen den Nobelpreis erhielt – hat gezeigt, dass dieses Phänomen flüssiger Elektronen noch verrückter ist, als wir dachten.
Durch die Entschlüsselung dieses flüssigkeitsähnlichen Verhaltens konnten die Forscher beobachten, wie Elektronen in Graphen eine grundlegende Grenze für Elektronen in einem normalen Metall, die als Landauers ballistische Grenze bekannt ist, durchbrechen.
Dies ist eine der ersten experimentellen Bestätigungen, die zeigt, wie leistungsfähig eine ganz neue Art von Physik sein könnte, und was noch wichtiger ist, es deutet auch darauf hin, dass wir kurz vor einer völlig neuen Möglichkeit stehen könnten, Elektrizität durch Materialien mit nahezu null Widerstand zu transportieren.
Im Moment ist das etwas, was Supraleiter erreichen können, aber diese Fähigkeit stellt sich erst bei extrem kalten Temperaturen ein unter 5,8 K (-267°C oder -450°F).
Doch in der neuesten Studie konnten die Forscher dieses sogenannte beobachten superballistische Strömung innerhalb von Graphen bei der relativ warmen Temperatur von 150 K (-123°C und -190°F).
Tatsächlich Widerstand verringert Mit steigender Temperatur passierte das Gegenteil von dem, was man erwarten würde.
Im Moment handelt es sich nur um eine einzelne Studie, und unabhängige Teams müssen die Ergebnisse der Universität Manchester überprüfen. Aber einen Weg zu finden, Strom bei höheren Temperaturen effizienter zu leiten, ist einer der „Heiligen Grale“ der Physik, da er den Weg für Dinge wie supereffiziente Computer oder Stromnetze ebnen würde, die keine Verluste erleiden 7 Prozent ihrer Energie als Wärme .
Das ist schon aufregend genug, aber für die Physik-Community ist der eigentliche Durchbruch hier die Tatsache, dass dies eine der ersten detaillierten Untersuchungen dieses neuen flüssigkeitsähnlichen Elektronenverhaltens ist – und es deutet darauf hin, dass wir gerade erst an der Oberfläche dessen kratzen, wie seltsam es ist ist es wirklich.
Das Seltsame daran ist, dass diese Art des Elektronenflusses im Widerspruch zu allem steht, was wir über die Leitfähigkeit wissen – nämlich dass ein Material umso weniger leitfähig ist, je mehr Elektronen gestreut werden.
Aus diesem Grund ist Graphen bereits um ein Vielfaches leitfähiger als beispielsweise Kupfer – seine saubere 2D-Struktur weist weitaus weniger Unvollkommenheiten auf als normale Metalle, sodass durch das Graphen wandernde Elektronen weniger gestreut werden und sich schneller bewegen, was als ballistischer Fluss bezeichnet wird.
Aber das Gegenteil geschieht, wenn Elektronen beginnen, zusammenzuarbeiten und sich wie eine Flüssigkeit zu verhalten – etwas, von dem diese neueste Studie zeigt, dass es in der Lage ist, einen superballistischen Fluss freizusetzen.
„Aus der Schule wissen wir, dass zusätzliche Unordnung immer zusätzlichen elektrischen Widerstand erzeugt“, sagte Geim .
„In unserem Fall verringert die durch Elektronenstreuung verursachte Störung den Widerstand eher, als dass er ihn erhöht.“
„Das ist einzigartig und ziemlich kontraintuitiv: Elektronen breiten sich in einer Flüssigkeit schneller aus, als wenn sie frei wären, wie im Vakuum.“
Wie funktioniert es? Anstatt den Widerstand zu erhöhen, können Elektronen manchmal, wenn sie miteinander kollidieren, tatsächlich zusammenarbeiten und den Stromfluss erleichtern.
Wenn man sich die Kristalle im Graphen als einen Kanal vorstellt, durch den Elektronen fließen müssen, werden die Elektronen am stärksten verlangsamt, wenn sie von den Rändern des Kanals abprallen und an Impuls verlieren.
Bei diesem flüssigen Verhalten bleiben jedoch einige Elektronen in der Nähe des Randes und verhindern so effektiv, dass andere Elektronen mit diesen Regionen kollidieren und langsamer werden.
Dadurch werden einige Elektronen superballistisch, wenn sie durch die Kanäle im Graphen geleitet werden, indem sie von ihren Freunden abprallen. Dasselbe passiert auch in einem Fluss – die Strömung ist in der Mitte am schnellsten.
Sir Geim und sein Team haben diese neue physikalische Größe „viskose Leitfähigkeit“ genannt. Und da dies eine der ersten Studien zu seinen Fähigkeiten ist und er bereits große physikalische Grenzen durchbricht, sind wir ziemlich sicher, dass Sie noch viel mehr darüber hören werden.
Beobachten Sie diesen Bereich.
Die Forschung wurde veröffentlicht in Naturphysik .