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電子は液体のように流れる

20.09.2017

最新の実験で、マンチェスター大学のグラフェン研究所の科学者は、グラフェンを移動する電子が非常に異常な方法で動作する条件を発見しました。電子のこの特定の動きにより、科学者は導電性材料の物理プロセスをよりよく理解できるようになり、近い将来、これらの同じプロセスを使用して、高速で高性能な次世代コンピューターチップ用のナノ電子回路を開発できるようになります。

ほとんどの金属では、電気伝導率は結晶格子内の欠陥の数によって制限されます。これにより電子が散乱し、ビリヤードボールのように金属に衝突します。したがって、グラフェンは、その「二次元」構造により、どの金属よりもはるかに優れた電気伝導性を発揮します。さらに、グラフェンなどの規則正しい結晶構造を持つ一部の純粋な金属やその他の材料では、電子は、いわゆる弾道運動による散乱なしにミクロン単位の距離を超えることができます。このような運動のパラメーターは、ランダウアーの基本的な限界と呼ばれる、材料の可能な最大電気伝導率を決定します。

しかし、実験中に得られたデータにより、科学者は、基本的なランダウアー限界を決定する法則は、特定の条件下ではグラフェン媒体では観察されないと結論付けることができました。そして、非常に珍しいメカニズムの XNUMX つがこれに関与しています。これは、電子流体力学 (電子流体力学) と呼ばれる比較的新しい物理学の分野に直接関係しています。

電子流体力学の分野が登場したのは昨年、マンチェスター大学やその他の科学組織の科学者が、物質のある温度で、その中を移動する電子が互いに衝突し始め、電子の流れが乱れ始めることを示した後です。液体の流れのように流れ、粘度係数が最小ではありません。そして新しい研究では、科学者たちは、この粘性のある「電子液体」の存在が、電子の弾道運動よりも高い電気伝導率を材料に与えることを示しました.

科学者によって発見された現象はかなり逆説的です。確かに、電子の衝突中に、電子は相互作用して散乱し、理論的には材料の電気伝導性を弱めるはずです。しかし、川を流れる水の流れのように、電子がXNUMXつの条件付き部分に分割されるため、材料の導電率が増加します。結晶格子のエッジに近接して移動する電子は、運動量を失い、減速します。しかし同時に、それらはストリームの真ん中を移動する電子の衝突に対する保護として機能します。そして、これらの電子は、極端な電子によって作成された「チャネル」内の超弾道軌道に沿ってすでに移動しています。

「物質の構造が無秩序であるほど、電気抵抗が大きくなることは学校の物理学からわかっています」とアンドリューゲーム卿は言います。材料の電気抵抗. この場合、電子は液体のように流れ始め、この液体の速度は、真空中の同じエネルギーを持つ電子の速度を超えます.

科学者たちは、グラフェンの導電率をさまざまな温度で測定する一連の実験を行いました。純粋なグラフェンと、明確な金属導電特性を持つドープされたグラフェンの導電率を比較することで、科学者は粘性導電率と呼ばれる新しい物理量を高精度で計算できるようになりました。そして最も注目すべきことは、収集された実験データが、対応する数学モデルの計算過程で得られたデータと実質的に一致したことです。

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