Un nuovo lavoro mostra che le interazioni degli elettroni nel grafene portano a flussi di corrente viscosa, creando minuscoli vortici che fanno viaggiare gli elettroni nella direzione opposta alla tensione applicata, in diretta violazione della teoria elettrica standard. Le linee bianche mostrano le linee di flusso correnti, i colori mostrano il potenziale elettrico, e le frecce verdi mostrano la direzione della corrente, per flussi viscosi (in alto) e normali (ohmici).
La resistenza elettrica è un concetto semplice:un po' come l'attrito che rallenta un oggetto che rotola su una superficie, la resistenza rallenta il flusso di elettroni attraverso un materiale conduttivo. Ma due fisici hanno scoperto che a volte gli elettroni possono cooperare per capovolgere la resistenza, producendo vortici e ritorno di corrente elettrica.
La previsione della "resistenza negativa" è solo uno di una serie di effetti controintuitivi e bizzarri simili a fluidi incontrati in determinate circostanze esotiche, coinvolgendo sistemi di particelle fortemente interagenti in un foglio di grafene, una forma bidimensionale di carbonio. I risultati sono descritti in un articolo apparso oggi sulla rivista Fisica della natura , dal professore di fisica del MIT Leonid Levitov e Gregory Falkovich, un professore al Weizmann Institute of Science di Israele.
Gli elettroni nel grafene si muovono in modo ben coordinato, per molti versi simile al movimento di fluidi viscosi attraverso un tubo dove sono fortemente influenzati da turbolenze e vortici. Ciò è dovuto alle interazioni che producono una risposta del campo di corrente a lungo raggio, molto diverso dal semplice comportamento "individualista" previsto in circostanze ordinarie, quando gli elettroni si muovono in linea retta come flipper che rimbalzano tra gli ioni, come descritto dalla legge di Ohm, dicono i ricercatori.
La nozione di viscosità elettronica era stata suggerita prima in teoria, ma si era rivelato difficile da testare perché nessuno aveva trovato un modo per osservare direttamente tali fenomeni. Ora, Levitov e Falkovich affermano di aver individuato una serie di segni che possono servire da indicatore di tali effetti collettivi nei flussi di elettroni.
Questo lavoro è "una notevole applicazione dell'intuizione teorica alla previsione di un nuovo effetto osservabile sperimentalmente, "dice Subir Sachdev, un professore di fisica all'Università di Harvard che non era coinvolto in questo lavoro. Dice che questa intuizione è "molto significativa e apre un nuovo capitolo nello studio del flusso di elettroni nei metalli".
Un sistema di riferimento
"C'è sempre stata una sorta di dicotomia tra ciò che è facile da fare in teoria e ciò che è facile da fare negli esperimenti, " Dice Levitov. "C'era una ricerca di un sistema ideale con cui sarebbe stato facile lavorare per gli sperimentali e che fosse anche un sistema di riferimento con forti interazioni che mostrasse forti fenomeni interattivi". lui dice, il grafene fornisce molte delle qualità ricercate di un tale sistema.
Su una superficie di grafene, Levitov dice, "hai elettroni che si comportano come particelle relativistiche accoppiate da interazioni che sono a lungo raggio e piuttosto forti". Con una possibile eccezione di fluidi esotici come i plasmi di quark-gluoni, lui dice, il grafene potrebbe essere più vicino alla nozione di un perfetto "fluido fortemente interattivo, "un importante concetto teorico nella fisica quantistica, rispetto a qualsiasi altro sistema attualmente conosciuto.
Il comportamento collettivo dei portatori di carica in tali sistemi fortemente interagenti è piuttosto peculiare. "Infatti, non è molto diverso dalla meccanica dei fluidi, " dice Levitov. Il modo in cui i fluidi si muovono può essere calcolato "con pochissima conoscenza di come interagiscono i singoli atomi del liquido. Non ci interessa molto" dei movimenti individuali; è il comportamento collettivo che conta in tali situazioni, lui dice.
Nell'ambiente del grafene, effetti quantistici, che sono normalmente insignificanti su scale maggiori di quelle delle singole particelle, svolgere un ruolo dominante, lui dice. In questa impostazione, "mostriamo che [il modo in cui si muovono i portatori di carica] ha un comportamento collettivo simile ad altri fluidi che interagiscono fortemente, Come l'acqua."
Come rilevarlo?
Ma mentre questo è vero in teoria, lui dice, "la domanda è, anche se ce l'abbiamo", cioè questo comportamento simile a un fluido:"come lo rileviamo? A differenza dei fluidi ordinari, dove puoi tracciare direttamente il flusso inserendo delle perline, Per esempio, in questo sistema non abbiamo un modo per visualizzare direttamente il flusso." Ma a causa della struttura bidimensionale del grafene, mentre gli elettroni si muovono attraverso il materiale "possiamo ottenere informazioni da misurazioni elettriche" fatte dall'esterno, dove è possibile posizionare le sonde in qualsiasi punto del foglio.
Il nuovo approccio si basa sul fatto che "se hai un flusso viscoso, ti aspetti che le diverse parti del liquido si trascinino l'una sull'altra e producano vortici. Creeranno un flusso che trascinerà le particelle vicine e guiderà un vortice, " dice Levitov. In particolare, un flusso diretto al centro di un nastro di grafene sarà accompagnato da vortici che si sviluppano lungo i lati. In quei vortici, gli elettroni possono effettivamente fluire nella direzione opposta a quella del campo elettrico applicato, dando luogo a ciò che i fisici chiamano resistenza negativa.
Mentre i vortici stessi non possono essere osservati direttamente, il movimento all'indietro del flusso di elettroni in alcune parti del materiale può essere misurato e confrontato con le previsioni teoriche.
Sebbene Levitov e Falkovich non abbiano condotto personalmente tali esperimenti, Levitov afferma che alcune recenti scoperte enigmatiche sembrano adattarsi allo schema previsto. In un esperimento appena riportato, dice "i ricercatori hanno visto qualcosa di simile, dove la tensione sul lato diventa negativa. È molto allettante dire" che ciò che hanno visto è una manifestazione dei fenomeni previsti da questo lavoro.
Non solo analogia
Il confronto del comportamento degli elettroni nel grafene con la fluidodinamica "non è solo un'analogia, ma una corrispondenza diretta, " dice Levitov. Ma ci sono differenze importanti, compreso il fatto che questo fluido porta carica elettrica, quindi non si comporta esattamente come l'acqua che scorre in un tubo ma piuttosto in modo simile ad alcuni plasmi, che sono essenzialmente nubi di particelle cariche.
Poiché questo è un lavoro in fase iniziale, Levitov dice, è troppo presto per dire se potrebbe mai avere applicazioni pratiche. Ma un'implicazione sorprendente di questo lavoro è che il trasporto di calore può accoppiarsi fortemente per caricare il trasporto. Questo è, il calore può cavalcare al di sopra del flusso di carica e propagarsi in modo ondulatorio molto più velocemente rispetto alle condizioni ordinarie, forse da 10 a 100 volte più velocemente. Questo comportamento, se raggiunto, potrebbe essere imbrigliato ad un certo punto, magari in dispositivi di rilevamento con tempi di risposta molto rapidi, ipotizza.
Andre Geim, un professore di fisica della materia condensata presso l'Università di Manchester nel Regno Unito che non è stato coinvolto in questo lavoro, dice, "È un brillante pezzo di teoria, che concorda molto bene con i nostri recenti risultati sperimentali." Quegli esperimenti, lui dice, "ha rilevato i vortici previsti dal gruppo di Levitov e ha mostrato che il liquido di elettroni nel grafene era 100 volte più viscoso del miele, contrariamente alla credenza universale che gli elettroni si comportino come un gas."
Geim aggiunge che il grafene sta diventando sempre più utilizzato in una varietà di applicazioni, e dice, "Gli ingegneri elettronici non possono davvero utilizzare il materiale senza una comprensione delle sue proprietà elettroniche. Che i tuoi elettroni si muovano come proiettili o nuotino nella melassa creando vortici ovviamente fa un'enorme differenza".
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.
