Gli scienziati hanno scoperto una nuova comprensione della fisica dei materiali conduttivi osservando l'insolito movimento degli elettroni nel grafene.

Il grafene è molte volte più conduttivo del rame grazie, in parte, alla sua struttura bidimensionale. Nella maggior parte dei metalli, la conduttività è limitata dalle imperfezioni dei cristalli che fanno sì che gli elettroni si disperdano frequentemente come palle da biliardo quando si muovono attraverso il materiale.

Ora, osservazioni negli esperimenti presso il National Graphene Institute hanno fornito una comprensione essenziale del comportamento peculiare dei flussi di elettroni nel grafene, che devono essere considerati nella progettazione dei futuri circuiti nanoelettronici.

In alcuni materiali di alta qualità, come il grafene, gli elettroni possono percorrere distanze di micron senza scattering, migliorare la conduttività per ordini di grandezza. Questo cosiddetto regime balistico, impone la massima conduttanza possibile per qualsiasi metallo normale, che è definito dal formalismo di Landauer-Buttiker.

Apparendo oggi in Fisica della natura , ricercatori dell'Università di Manchester, in collaborazione con fisici teorici guidati dal professor Marco Polini e dal professor Leonid Levitov, mostrano che il limite fondamentale di Landauer può essere violato nel grafene. Ancora più affascinante è il meccanismo responsabile di ciò.

L'anno scorso, un nuovo campo della fisica dello stato solido chiamato "idrodinamica elettronica" ha generato un enorme interesse scientifico. Tre diversi esperimenti, incluso uno eseguito dall'Università di Manchester, dimostrato che a determinate temperature, gli elettroni si scontrano così frequentemente che iniziano a fluire collettivamente come un fluido viscoso.

La nuova ricerca dimostra che questo fluido viscoso è ancora più conduttivo degli elettroni balistici. Il risultato è piuttosto controintuitivo, poiché tipicamente gli eventi di dispersione agiscono per abbassare la conduttività di un materiale, perché inibiscono il movimento all'interno del cristallo. Però, quando gli elettroni si scontrano tra loro, iniziano a lavorare insieme e facilitano il flusso di corrente.

Questo accade perché alcuni elettroni rimangono vicino ai bordi del cristallo, dove la dissipazione del momento è più alta, e muoversi piuttosto lentamente. Allo stesso tempo, proteggono gli elettroni vicini dalla collisione con quelle regioni. Di conseguenza, alcuni elettroni diventano super balistici mentre vengono guidati attraverso il canale dai loro amici.

Sir Andre Geim ha detto:"Sappiamo dalla scuola che il disordine aggiuntivo crea sempre una resistenza elettrica extra. Nel nostro caso, il disturbo indotto dalla diffusione degli elettroni riduce in realtà la resistenza anziché aumentarla. Questo è unico e abbastanza controintuitivo:gli elettroni quando compongono un liquido iniziano a propagarsi più velocemente che se fossero liberi, come nel vuoto".

I ricercatori hanno misurato la resistenza delle costrizioni del grafene, e ho scoperto che diminuisce all'aumentare della temperatura, in contrasto con il solito comportamento metallico previsto per il grafene drogato.

Studiando come la resistenza attraverso le costrizioni cambia con la temperatura, gli scienziati hanno rivelato una nuova grandezza fisica che hanno chiamato conduttanza viscosa. Le misurazioni hanno permesso loro di determinare la viscosità degli elettroni con una precisione così elevata che i valori estratti hanno mostrato un notevole accordo quantitativo con la teoria.