Iznimka od Ohmovog zakona? Grafen tjera elektrone da se ponašaju poput viskozne tekućine s 'negativnim otporom'

Suprotnosti se privlače. To je jedno od temeljnih pravila koje objašnjava zašto elektricitet i magnetizam rade ono što rade. Magneti i naboj imaju dva 'okusa' koja nazivamo polovima, poput naboja koji se odbijaju, a električni polaritet sustava određuje na koji će način struja teći. Osim - očito grafen stavlja zvjezdicu nakon Maxwellovih jednadžbi.

Dva tima fizičara upravo su pronašla dokaze da grafen tjera elektrone da djeluju manje poput nosača naboja koji se kreću relativističkim brzinama i više poput viskozne tekućine koja teče protiv električne struje u vrtlozima i vrtlozima poput onih na rubu rijeke. To svojstvo čini da elektroni struje protiv električnog polariteta u fenomenu koji fizičari nazivaju 'negativnim otporom' i kao Fizika prirode i Znanost izvješće, napokon smo vidjeli da se to događa na sobnoj temperaturi.



Negativan otpor

Grafen ima čudan presjek elektromagnetskih svojstava, uključujući visoku vodljivost i mali otpor, poput metala. Za razliku od metala, grafen elektronama koji prolaze kroz njega čini neke zaista bizarne stvari. Kad struju provučete kroz žicu, ona se uglavnom kreće glatkim, laminarnim tokom, na način koji obično nazivamo 'balističkim'. Nesavršenosti materijala su dominantna sila odbijanja koja unose turbulenciju u sustav, a to je manji učinak.



Mislili smo da je grafen djelovao na isti način, s tim da su se jedini otkloni elektrona javljali na spojevima u listu. Međutim, kada primijenite napon na grafensku vrpcu, samo se dio struje kreće u predvidljivom, laminarnom omičkom toku. Profesor Leonid Lebitov s MIT-a i profesor Gregory Falkovich s izraelskog Instituta za znanost Weizmann pokazali su da neki od njih pokazuju negativan otpor: Umjesto da usporavaju elektrone i rasipaju svoju energiju kroz toplinu kao kod omskog otpora, elektroni se skreću i povezuju u male vrtloge koji se kreću protiv električnog polariteta sustava, poput viskozne tekućine.

Andre Geim, profesor fizike kondenzirane materije sa Sveučilišta u Manchesteru, trčao je s tom idejom i mjerio viskoznost uočenu na vrtlozima. On i njegov tim 'otkrili su vrtloge koje je predvidjela Levitovljeva skupina i pokazali da je elektronska tekućina u grafenu sto puta viskoznija od meda, suprotno univerzalnom vjerovanju da se elektroni ponašaju poput plina'.



Slika 1 - Struje struje i karta potencijala za viskozne i omične tokove - iz Nature Physics

Elektrodinamička svojstva Graphena dovode do viskoznih strujanja struje, stvarajući malene vrtloge koji uzrokuju putovanje elektrona protiv električnog polariteta. Bijele crte prikazuju trenutne struje, boje pokazuju električni potencijal, a zelene strelice pokazuju smjer struje za viskozne (gornja ploča) i normalne (omičke, donja ploča) protoke. Slika: Fizika prirode

Ovo je istraživanje toliko novo da još nismo ni sigurni kako primijeniti nalaze. Jedna od potencijalnih implikacija je da je prijenos topline čvrsto povezan s prijenosom naboja, pa će ovdje vjerojatno biti otkriveni povezani fenomeli toplinske vodljivosti. Kao što je zabilježeno u Priroda, „Viskozni (elektronski) tok rezultira vrlo složenim načinom zagrijavanja s intenzivnim žarištima u blizini kontakata i hladnim mrljama u obliku luka u vrtlozima okruženim toplijim predjelima.“

Slika 3 - obrasci zagrijavanja viskoznih i omičkih tokova - Priroda fizika

Bijele strelice pokazuju trenutni smjer. Viskozni tok pokazuje vrlo složen način zagrijavanja. Omički protok (dno) pokazuje u osnovi beznačajnu brzinu proizvodnje topline koja monotono propada od kontakata. Slika: Fizika prirode



Ovi eksperimenti označavaju prvi put da smo ikada mogli izravno promatrati ove dugo predviđane učinke kemije grafena. Štoviše, nude prozor u makrorazmjere implikacija kvantne fizike. Iako su kvantni učinci obično beznačajni na skalama većim od pojedinih čestica, u grafenskom okruženju oni igraju dominantnu ulogu, kaže profesor Levitov putem Vijesti s MIT-a. U ovoj postavci, 'pokazujemo da se (način na koji se nosači naboja kreću) kolektivno ponaša slično drugim tekućinama koje jako komuniciraju, poput vode.' S obzirom na to koliko je grafen još uvijek teško proizvesti u količini, može biti da ga nećemo znati koristiti dok ne uspijemo stvoriti dovoljno za upotrebu.

Sad pročitajteŠto je grafen?

Izvorni članci (obojica plaćeni) nalaze se nahttp://dx.doi.org/doi:10.1126/science.aad0201 ihttp://dx.doi.org/doi:10.1038/nphys3667.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com