Una nuova scoperta dei fisici del MIT e in Israele mostra che in determinate condizioni specializzate, gli elettroni possono accelerare attraverso una stretta apertura in un pezzo di metallo più facilmente di quanto la teoria tradizionale ritenga possibile.

Questo flusso "superbalistico" assomiglia al comportamento dei gas che fluiscono attraverso un'apertura ristretta, tuttavia avviene in un fluido elettronico quanto-meccanico, dice il professore di fisica del MIT Leonid Levitov, chi è l'autore senior di un articolo che descrive la scoperta che appare questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

In questi stretti passaggi, se per i gas che passano attraverso un tubo o gli elettroni che si muovono attraverso una sezione di metallo che si restringe fino a un punto, si scopre che più, meglio è:grandi grappoli di molecole di gas, o grandi grappoli di elettroni, muoversi più velocemente dei numeri più piccoli che passano attraverso lo stesso collo di bottiglia.

Il comportamento sembra paradossale. È come se una folla di persone che cercano di infilarsi attraverso una porta all'improvviso scoprisse di poter passare più velocemente di una persona che attraversa da sola e senza ostacoli. Ma gli scienziati sanno da quasi un secolo che questo è esattamente ciò che accade con i gas che passano attraverso una minuscola apertura, e il comportamento può essere spiegato attraverso semplici, fisica di base, dice Levitov.

In un passaggio di una data dimensione, se ci sono poche molecole di gas, possono viaggiare senza ostacoli in linea retta. Ciò significa che se si muovono a caso, la maggior parte di loro colpirà rapidamente il muro e rimbalzerà, perdendo parte della loro energia al muro nel processo e quindi rallentando ogni volta che colpiscono. Ma con un lotto più grande di molecole, la maggior parte di loro si scontra con altre molecole più spesso di quanto colpiscano le pareti. Le collisioni con altre molecole sono "senza perdite, " poiché l'energia totale delle due particelle che si scontrano è preservata, e non si verifica alcun rallentamento generale. "Le molecole in un gas possono ottenere attraverso la 'cooperazione' ciò che non possono realizzare individualmente, " lui dice.

Quando la densità delle molecole in un passaggio aumenta, lui spiega, "Raggiungi un punto in cui la pressione idrodinamica necessaria per far passare il gas diminuisce, anche se la densità delle particelle aumenta." In breve, per quanto strano possa sembrare, l'affollamento fa accelerare le molecole.

Un fenomeno simile, i ricercatori ora riferiscono, governa il comportamento degli elettroni quando sfrecciano attraverso uno stretto pezzo di metallo, dove si muovono in un flusso fluido.

Il risultato è che, attraverso un sufficientemente stretto, costrizione puntiforme in un metallo, gli elettroni possono fluire a una velocità che supera quello che era stato considerato un limite fondamentale, noto come limite balistico di Landauer. A causa di ciò, il team ha soprannominato il nuovo effetto flusso "superbalistico". Ciò rappresenta un grande calo della resistenza elettrica del metallo, sebbene sia molto inferiore a quello che sarebbe necessario per produrre la resistenza zero nei metalli superconduttori. Però, a differenza della superconduttività, che richiede temperature estremamente basse, il nuovo fenomeno potrebbe avvenire anche a temperatura ambiente e quindi potrebbe essere molto più semplice da implementare per applicazioni in dispositivi elettronici.

Infatti, il fenomeno infatti aumenta all'aumentare della temperatura. Contrariamente alla superconduttività, Levitov dice, flusso superbalistico "è assistito dalla temperatura, piuttosto che essere ostacolato da esso."

Attraverso questo meccanismo, Levitov dice, "Possiamo superare questo confine che tutti pensavano fosse un limite fondamentale su quanto alta potesse essere la conduttanza. Abbiamo dimostrato che si può fare meglio di così".

Dice che sebbene questo particolare documento sia puramente teorico, altre squadre hanno già dimostrato sperimentalmente le sue previsioni di base. Mentre l'accelerazione osservata nel flusso di gas nel caso analogo può raggiungere un'accelerazione di dieci volte o maggiore, resta da vedere se si possono ottenere miglioramenti di tale portata per la conduttanza elettrica. Ma anche modeste riduzioni della resistenza in alcuni circuiti elettronici potrebbero essere un miglioramento significativo, lui dice.

"Questo lavoro è attento, elegante, e sorprendente:tutti i tratti distintivi di una ricerca di altissima qualità, "dice David Goldhaber-Gordon, un professore di fisica alla Stanford University che non era coinvolto in questa ricerca. "Nella scienza, Sento che i fenomeni che confondono le nostre intuizioni sono sempre utili per allargare il nostro senso di ciò che è possibile. Qui, l'idea che più elettroni possano passare attraverso un'apertura se gli elettroni si deviano a vicenda invece di viaggiare liberamente e indipendentemente è abbastanza controintuitiva, anzi l'opposto di quello a cui siamo abituati. È particolarmente intrigante che Levitov e collaboratori scoprano che la conduttanza in tali sistemi segue una regola così semplice".

Sebbene questo lavoro fosse teorico, Goldhaber-Gordon aggiunge, "Testare sperimentalmente le previsioni semplici e sorprendenti di Levitov sarà davvero emozionante e plausibile da ottenere nel grafene. … I ricercatori hanno immaginato di costruire nuovi tipi di interruttori elettronici basati sul flusso di elettroni balistici. Le intuizioni teoriche di Levitov, se convalidato sperimentalmente, sarebbe molto rilevante per questa idea:il flusso superbalistico potrebbe consentire a questi interruttori di funzionare meglio del previsto (o potrebbe dimostrare che non funzioneranno come sperato)."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.