Questo comportamento idrodinamico potrebbe produrre dispositivi più efficienti. Credito:Rina Goh/Università Nazionale di Singapore
Normalmente non vuoi mescolare elettricità e acqua, ma l'elettricità che si comporta come l'acqua ha il potenziale per migliorare i dispositivi elettronici. Il lavoro recente dei gruppi dell'ingegnere James Hone della Columbia e del fisico teorico Shaffique Adam della National University of Singapore e Yale-NUS costruisce una nuova comprensione di questo insolito comportamento idrodinamico che cambia alcuni vecchi presupposti sulla fisica dei metalli. Lo studio è stato pubblicato il 15 aprile sulla rivista Science Advances .
Nel lavoro, il team ha studiato il comportamento di un nuovo semiconduttore in cui elettroni caricati negativamente e "buchi" caricati positivamente trasportano simultaneamente corrente. Hanno scoperto che questa corrente può essere descritta con solo due equazioni "idrodinamiche":una che descrive come gli elettroni e le lacune scorrono l'uno contro l'altro e una seconda per come tutte le cariche si muovono insieme attraverso il reticolo atomico del materiale.
"Formule semplici di solito significano fisica semplice", ha detto Hone, che è rimasto sbalordito quando il post-dottorato di Adam, Derek Ho, ha costruito il nuovo modello, che sfida le ipotesi che molti fisici imparano sui metalli all'inizio della loro formazione. "Ci è stato insegnato a tutti che in un metallo normale, tutto ciò che devi veramente sapere è come un elettrone rimbalza su vari tipi di imperfezioni", ha detto Hone. "In questo sistema, i modelli di base che abbiamo imparato nei nostri primi corsi semplicemente non si applicano."
Nei fili metallici che trasportano una corrente elettrica, ci sono molti elettroni in movimento che in gran parte si ignorano a vicenda, come i motociclisti su una metropolitana affollata. Quando gli elettroni si muovono, inevitabilmente si imbattono in difetti fisici nel materiale che li trasporta o in vibrazioni che li provocano a disperdersi. La corrente rallenta e l'energia viene persa. Ma, nei materiali che hanno un numero minore di elettroni, quegli elettroni interagiscono in realtà fortemente tra loro e scorreranno insieme, come l'acqua attraverso un tubo. Incontrano ancora le stesse imperfezioni, ma il loro comportamento è completamente diverso:invece di pensare a singoli elettroni che si diffondono casualmente, ora devi trattare l'intero insieme di elettroni (e lacune) insieme, ha detto Hone.
Per testare sperimentalmente il loro nuovo modello semplice di conducibilità idrodinamica, il team ha studiato il grafene a doppio strato, un materiale costituito da due fogli di carbonio sottili come un atomo. Dottorato di ricerca di Hone lo studente Cheng Tan ha misurato la conduttività elettrica dalla temperatura ambiente fino a quasi lo zero assoluto mentre variava la densità di elettroni e lacune. Tan e Ho hanno trovato un'eccellente corrispondenza tra il modello ei loro risultati. "È sorprendente che i dati sperimentali siano molto più d'accordo con la teoria idrodinamica rispetto alla vecchia "teoria standard" sulla conducibilità", ha affermato Ho.
Il modello ha funzionato quando il materiale è stato messo a punto in modo da consentire l'attivazione e la disattivazione della conduttività e il comportamento idrodinamico era evidente anche a temperatura ambiente. "È davvero straordinario che il grafene a doppio strato sia stato studiato per oltre 15 anni, ma fino ad ora non abbiamo compreso correttamente la sua conduttività a temperatura ambiente", ha affermato Hone, che è anche professore Wang Fong-Jen e presidente del Dipartimento di ingegneria meccanica alla Columbia Engineering.
La conducibilità a temperatura ambiente a bassa resistenza potrebbe avere applicazioni molto pratiche. I materiali superconduttori esistenti, che conducono elettricità senza resistenza, devono essere mantenuti incredibilmente freddi. I materiali capaci di flusso idrodinamico potrebbero aiutare i ricercatori a costruire dispositivi elettronici più efficienti, noti come elettronica viscosa, che non richiedono un raffreddamento così intenso e costoso.
A un livello più fondamentale, il team ha verificato che il movimento di scorrimento tra elettroni e lacune non è specifico del grafene, ha affermato Adam, professore associato del Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l'Università Nazionale di Singapore e della Divisione di Scienze di Yale -Collegio NUS. Poiché questo movimento relativo è universale, i ricercatori dovrebbero essere in grado di trovarlo in altri materiali, soprattutto perché il miglioramento delle tecniche di fabbricazione continua a produrre campioni sempre più puliti, su cui l'Hone Lab si è concentrato nell'ultimo decennio. In futuro, i ricercatori potrebbero anche progettare geometrie specifiche per migliorare ulteriormente le prestazioni dei dispositivi costruiti per trarre vantaggio da questo comportamento collettivo unico simile all'acqua. + Esplora ulteriormente
