研究人员确认“超弹”电子流理论

admin 2018-05-15

当电子单独穿过狭窄的开口时,它们会从两侧的墙壁反弹,失去它们的动量以及一些能量。但是当电子以密集的方式传播时,它们比墙壁更容易彼此反弹,并且很快地传播。图片:Jose-Luis Olivares / MIT

新的实验证实了“超球”电子流的理论,揭示了电子如何像粘性流体中的粒子一样行为,以帮助电子束挤压穿过紧密的空间。 / em

当许多人试图同时通过通道时,它会造成一个瓶颈,使每个人都失望。事实证明,对于电子来说,情况正好相反,当大组旅行时,飞行速度可能比独飞时快。

所谓superballistic流动的理论预测,电子可以通过收缩相互作用而更容易地通过,从而“合作”,而不是单独进行。这个理论在今年早些时候由麻省理工学院物理学教授Leonid Levitov领导的一个小组提出。

现在,本周在英国曼彻斯特大学的一个名为Nature Physics / em&gt的杂志发表的一篇论文中,与Levitov和麻省理工学院的本科生郭浩宇一起工作,已经在一个实验中证实了这个理论。器件由原子层薄的石墨烯构建而成。

超球流动背后的思想是电子之间的相互作用使它们以高度协调的方式移动,模仿高粘度流体中的粒子行为。

当电子单独穿过狭窄的开口时,它们会从两侧的墙壁反弹,失去它们的动量以及一些能量。

但是当电子以密集的团体行进时,它们比墙壁更容易彼此反弹。这种电子 - 电子碰撞被称为“无损”,因为两个粒子的总能量和净动量是守恒的。在这个过程中,单个电子的动量可以快速变化,但整体动量守恒确保损失非常低。

结果,电子一起能够更快地行进,并且更容易穿过收缩部分,而不是单独穿过收缩部分。

“电子的粘性流动理论上已经被预料到,但从未被观察到,部分原因是当时材料不够好,部分原因是没有好的建议来寻找什么,”莱维托夫说。

为了使粘性流动更容易识别,莱维托夫的理论论文建议迫使电子穿过收缩部分,产生电流。这与19世纪研究人员通过将流体通过狭窄通道研究粘度的方式类似。

“如果通过收缩流动电流,并且条件合适且流动是粘滞的,那么流动的阻力将异常低,即低于预期的自由颗粒流动的流动,”莱维托夫说。

可以测量阻力的下降,揭示粘性流动的存在。

在Levitov先前的论文中,利用理论描述的实验装置,由物理学教授和诺贝尔奖得主安德烈盖姆领导的曼彻斯特研究人员仔细蚀刻了一系列封装在氮化硼晶体之间的石墨烯中的收缩部分或夹点。

“该团队将石墨烯片蚀刻成一个形状,按照顺序排列形成多个收缩部分,然后施加一个电流使其逐个流过所有这些收缩部分,”Levitov说。

研究人员随后独立测量每个收缩部位的电位下降,使他们能够检测出装置中每个夹点的流速。

他们发现电子的电导超过了自由电子可能达到的最大电导,即Landauer的弹道极限。

他们还发现,电子的电导随着温度的升高而增加。

通过这种方式,研究人员能够在几天内验证Levitov和Guo的原始预测。莱维托夫说,这可能是他整个职业生涯中预测的最快实验证明,最长时间需要20年才能证明。

为了确认他们的发现,研究人员随后用一系列不同的石墨烯器件重复了这一实验,并获得了相同的结果。

Levitov说,这项工作指向了利用电子之间的相互作用设计低功耗电子设备的可能性。

但是更重要的是,他说,这为我们理解电荷流动物理开辟了新的领域,电子行为以集体的方式表现。

哈佛大学物理学教授阿米尔雅科比说,电子 - 电子相互作用导致了各种各样令人兴奋的新奇物理学,但这些相互作用的影响通常会随着温度的降低而变得更强。研究。

“水动力电子流动状态是电子 - 电子相互作用的另一个令人难以置信的丰富表现,而且这次它随着温度的升高而增长,”Yacoby说。

这表明,这些影响中的一些可能变得比以往更容易观察。

他说:“理论和实验中描述的特殊现象是以前没有探索过的新电导系统的一个很好的例子。”

莱维托夫和他的团队正在研究这些发现的含义。特别是他们计划在新的流体力学体系内研究热传输。

“看起来这个新政权的热量输送也是非常令人惊讶的,比我们最初想象的更有趣,”他说。 “这种流体力学体系可能以新的方式用于控制电子系统中的热流。”

出版物:R. Krishna Kumar等人,“通过石墨烯收缩的粘性电子流体的超弹流动”,Nature Physics(2017)doi:10.1038 / nphys4240

来源:麻省理工新闻Helen Knight


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