Joissakin korkealaatuisissa materiaaleissa, kuten grafeenissa, elektronit voivat kulkea mikronien etäisyyksillä ilman sirontaa. Tämä ns. ballistinen järjestelmä tuo maksimaalisen elektronien johtavuuden normaaliin metalliin.
Manchesterin yliopiston tutkijat yhteistyössä professorien Marco Polinin ja Leonid Levitovin kanssa ovat osoittaneet, että metallin perustason raja voidaan murtaa grafeenissa. Alan fysiikan kannalta vielä kiehtovampi on mekanismi, joka vastaa tästä ilmiöstä.
Manchesterin National Graphene -instituutissa tehdyt kokeelliset havainnot ovat tuoneet uutta ymmärtämystä grafeenin elektronivirtojen erikoisesta käyttäytymisestä.
Viime vuonna uusi kenttä kiinteän aineen fysiikassa, jota kutsuttiin nimellä "elektronin hydrodynamiikka", aiheutti valtavan tieteellisen kiinnostuksen. Kolme erilaista kokeilua osoitti, että tietyillä lämpötiloilla elektronit törmäävät toisiinsa niin usein, että ne alkavat kulkea kollektiivisesti kuten viskoosi neste.
Uusin tutkimus osoittaa, että tämä viskoosimainen tapa on vielä johtavampi kuin ballistiset elektronit. Tulos on varsin epätavallinen, koska tyypillisesti hajanaiset tapahtumat heikentävät elektronien liikettä kiteen sisällä. Kuitenkin, kun elektronit törmäilevät ahtaassa paikassa toisiinsa, ne alkavat työskennellä yhdessä ja helpottavat virran kulkua.
Tämä tapahtuu siksi, että jotkut elektronit pysyvät lähellä kiteen reunoja, joissa vauhdin heikkeneminen on vahvinta ja siten liikkuvat melko hitaasti. Samanaikaisesti ne suojaavat läheisiä elektroneja törmäämästä näihin alueisiin. Näin ollen jotkut elektronit tulevat super-ballistiseksi, koska niitä tavallaan ohjailevat kanavan reunoilla olevat.
Manchesterin sir Andre Geimin mukaan alan koulutus kertoo, että ylimääräinen häiriö kasvattaa sähkönkulun vastusta. - Meidän tapauksessamme elektronisironnan aiheuttama häiriö itse asiassa vähentää resistanssia lisääntymisen sijaan. Tämä on ainutlaatuista ja melko epätavallista: nestemäisyyden muodostuessa elektronit alkavat edetä nopeammin kuin jos ne olivat vapaita, kuten tyhjiössä.
Tutkijat mittasivat grafeenissa olevan supistuskohdan resistanssia ja havaitsivat sen vähenevän kasvavan lämpötilan suhteen. Seostetussa grafeenissa käytös muuttuu metallimaiseksi. Näin tutkijat tulivat paljastaneeksi uuden fysikaalisen olemuksen, jota he kutsuivat viskoosiseksi johtavuudeksi.
Tällainen eräänlainen paikallinen negatiivisen resistanssin Ilmiö löytyi grafeeniin tehdyistä supistuskohdista alle 150 kelvinin lämpötiloissa. Aiheeseen liittyvää teoriaa ehdotettiin aiemmin tänä vuonna tutkimustyössä, jota johti MIT:n fysiikan professori Leonid Levitov.
Teorian vahvistava työ osoittaa, että jatkossa on mahdollista käyttää uudenlaista elektronien vuorovaikutusta pienitehoisen elektroniikan suunnittelussa. Jatkossa Levitovin ryhmä aikoo tutkia näiden havaintojen vaikutuksia. Erityisesti he aikovat tutkia lämpöliikennettä uuden nestemekaniikan järjestelmässä.
- Näyttää siltä, että lämmönsiirto tässä uudessa järjestelmässä on myös hyvin yllättävä ja mielenkiintoisempi kuin alun perin ajateltiin. Tätä nestemekanismia voitaisiin käyttää lämpövirtojen säätämiseen elektronisissa systeemeissä uusilla tavoilla, toteaa Levitov.
Veijo Hänninen
Nanobittejä 29.8.2017
