I ricercatori dell'Università di Manchester nel Regno Unito hanno scoperto che l'effetto Hall, un fenomeno noto da più di un secolo, non è più così universale come si pensava.

Nel documento di ricerca pubblicato in Scienza questa settimana, il gruppo guidato dal Prof Sir Andre Geim e dal Dr. Denis Bandurin, scoperto che l'effetto Hall può anche essere significativamente più debole, se gli elettroni interagiscono fortemente tra loro dando luogo ad un flusso viscoso. Il nuovo fenomeno è importante a temperatura ambiente, qualcosa che può avere importanti implicazioni quando si realizzano dispositivi elettronici o optoelettronici.

Proprio come le molecole nei gas e nei liquidi, gli elettroni nei solidi si scontrano frequentemente tra loro e possono quindi comportarsi anche come fluidi viscosi. Tali fluidi elettronici sono ideali per trovare nuovi comportamenti di materiali in cui le interazioni elettrone-elettrone sono particolarmente forti. Il problema è che la maggior parte dei materiali è raramente abbastanza pura da consentire agli elettroni di entrare nel regime viscoso. Questo perché contengono molte impurità dalle quali gli elettroni possono disperdersi prima che abbiano il tempo di interagire tra loro e organizzare un flusso viscoso.

Il grafene può tornare molto utile qui:il foglio di carbonio è un materiale molto pulito che contiene solo pochi difetti, impurità e fononi (vibrazioni del reticolo cristallino indotte dalla temperatura) in modo che le interazioni elettrone-elettrone diventino la principale fonte di scattering, che porta ad un flusso di elettroni viscoso.

"Nei lavori precedenti, il nostro gruppo ha scoperto che il flusso di elettroni nel grafene può avere una viscosità fino a 0,1 m ² S ^-1 , che è 100 volte superiore a quello del miele, " ha detto il dottor Bandurin "In questa prima dimostrazione di idrodinamica elettronica, abbiamo scoperto fenomeni molto insoliti come la resistenza negativa, vortici di elettroni e flusso superbalistico".

Effetti ancora più insoliti si verificano quando un campo magnetico viene applicato agli elettroni del grafene quando si trovano nel regime viscoso. I teorici hanno già ampiamente studiato l'elettromagnetoidrodinamica a causa della sua rilevanza per i plasmi nei reattori nucleari e nelle stelle di neutroni, nonché per la meccanica dei fluidi in generale. Ma, nessun sistema sperimentale pratico in cui testare tali previsioni (come la grande magnetoresistenza negativa e la resistività di Hall anomala) era prontamente disponibile fino ad ora.

Nei loro ultimi esperimenti, i ricercatori di Manchester hanno realizzato dispositivi al grafene con molte sonde di tensione poste a distanze diverse dal percorso della corrente elettrica. Alcuni di loro erano a meno di un micron l'uno dall'altro. Geim e colleghi hanno dimostrato che mentre l'effetto Hall è del tutto normale se misurato a grandi distanze dal percorso della corrente, la sua grandezza diminuisce rapidamente se sondata localmente, utilizzando contatti vicini all'iniettore di corrente.

"Il comportamento è radicalmente diverso dalla fisica standard dei libri di testo", afferma Alexey Berdyugin, un dottorato di ricerca studente che ha condotto il lavoro sperimentale. "Osserviamo che se i contatti di tensione sono lontani dai contatti di corrente, misuriamo il vecchio, noioso effetto Hall, invece di questo nuovo "effetto Hall viscoso". Ma, se posizioniamo le sonde di tensione vicino ai punti di iniezione della corrente, l'area in cui la viscosità si manifesta in modo più drammatico come vortici nel flusso di elettroni, scopriamo che l'effetto Hall diminuisce.

"I cambiamenti qualitativi nel flusso di elettroni causati dalla viscosità persistono anche a temperatura ambiente se i dispositivi al grafene sono di dimensioni inferiori a un micron, dice Berdyugin. "Dal momento che questa dimensione è diventata di routine in questi giorni per quanto riguarda i dispositivi elettronici, gli effetti viscosi sono importanti quando si realizzano o si studiano dispositivi al grafene."