Une nouvelle découverte par des physiciens du MIT et en Israël montre que dans certaines conditions spécialisées, les électrons peuvent traverser une ouverture étroite dans un morceau de métal plus facilement que la théorie traditionnelle ne le dit.

Cet écoulement "superbalistique" ressemble au comportement des gaz circulant à travers une ouverture resserrée, cependant, il se déroule dans un fluide électronique de mécanique quantique, dit Leonid Levitov, professeur de physique au MIT, qui est l'auteur principal d'un article décrivant la découverte qui paraît cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Dans ces passages étroits, que ce soit pour des gaz traversant un tube ou des électrons traversant une section de métal qui se rétrécit en un point, il s'avère que plus, le plus joyeux :de gros bouquets de molécules de gaz, ou de gros paquets d'électrons, se déplacent plus rapidement que des nombres plus petits passant par le même goulot d'étranglement.

Le comportement semble paradoxal. C'est comme si une foule de personnes essayant de se faufiler à travers une porte se rendaient compte qu'elles pouvaient passer plus rapidement qu'une personne seule et sans obstruction. Mais les scientifiques savent depuis près d'un siècle que c'est exactement ce qui se passe avec les gaz passant par une minuscule ouverture, et le comportement peut être expliqué par simple, physique de base, dit Levitov.

Dans une coursive d'une dimension donnée, s'il y a peu de molécules de gaz, ils peuvent voyager sans entrave en ligne droite. Cela signifie que s'ils se déplacent au hasard, la plupart d'entre eux vont rapidement heurter le mur et rebondir, perdant une partie de leur énergie au mur dans le processus et ralentissant ainsi à chaque fois qu'ils frappent. Mais avec un plus gros lot de molécules, la plupart d'entre eux heurteront d'autres molécules plus souvent qu'ils ne heurteront les murs. Les collisions avec d'autres molécules sont "sans perte, " puisque l'énergie totale des deux particules qui entrent en collision est conservée, et aucun ralentissement global ne se produit. "Les molécules d'un gaz peuvent accomplir par 'coopération' ce qu'elles ne peuvent accomplir individuellement, " il dit.

Au fur et à mesure que la densité des molécules dans un passage augmente, il explique, « Vous atteignez un point où la pression hydrodynamique dont vous avez besoin pour faire passer le gaz diminue, même si la densité des particules augmente." En bref, aussi étrange que cela puisse paraître, l'encombrement fait accélérer les molécules.

Un phénomène similaire, les chercheurs rapportent maintenant, régit le comportement des électrons lorsqu'ils traversent un morceau de métal étroit, où ils se déplacent dans un écoulement fluide.

Le résultat est que, par un passage suffisamment étroit, constriction ponctuelle dans un métal, les électrons peuvent circuler à une vitesse qui dépasse ce qui était considéré comme une limite fondamentale, connue sous le nom de limite balistique de Landauer. À cause de ce, l'équipe a surnommé le nouvel effet de flux "superbalistique". Cela représente une chute importante de la résistance électrique du métal, bien que ce soit beaucoup moins que ce qui serait nécessaire pour produire la résistance nulle dans les métaux supraconducteurs. Cependant, contrairement à la supraconductivité, qui nécessite des températures extrêmement basses, le nouveau phénomène peut se produire même à température ambiante et peut donc être beaucoup plus facile à mettre en œuvre pour des applications dans des dispositifs électroniques.

En réalité, le phénomène augmente en fait avec la température. Contrairement à la supraconductivité, Levitov dit, l'écoulement superbalistique "est assisté par la température, plutôt que de l'entraver."

Grâce à ce mécanisme, Levitov dit, « nous pouvons surmonter cette limite que tout le monde pensait être une limite fondamentale à la hauteur de la conductance. Nous avons montré que l'on peut faire mieux que cela. »

Il dit que bien que cet article particulier soit purement théorique, d'autres équipes ont déjà prouvé expérimentalement ses prédictions de base. Alors que l'accélération observée dans l'écoulement des gaz dans le cas analogue peut atteindre une accélération décuple ou plus, il reste à voir si des améliorations de cette ampleur peuvent être obtenues pour la conductance électrique. Mais même des réductions modestes de la résistance dans certains circuits électroniques pourraient être une amélioration significative, il dit.

"Ce travail est soigné, élégant, et surprenantes, toutes les caractéristiques d'une recherche de très haute qualité, " dit David Goldhaber-Gordon, un professeur de physique à l'Université de Stanford qui n'était pas impliqué dans cette recherche. "Dans la science, Je sens que les phénomènes qui confondent nos intuitions sont toujours utiles pour étendre notre sens de ce qui est possible. Ici, l'idée que plus d'électrons peuvent passer à travers une ouverture si les électrons se dévient plutôt que de se déplacer librement et indépendamment est assez contre-intuitif, en fait le contraire de ce à quoi nous sommes habitués. Il est particulièrement intriguant que Levitov et ses collègues découvrent que la conductance dans de tels systèmes suit une règle si simple."

Alors que ce travail était théorique, Goldhaber-Gordon ajoute, « Tester expérimentalement les prédictions simples et frappantes de Levitov sera vraiment excitant et plausible à réaliser dans le graphène. … Les chercheurs ont imaginé de construire de nouveaux types de commutateurs électroniques basés sur le flux d'électrons balistiques. Les connaissances théoriques de Levitov, si validé expérimentalement, serait très pertinent pour cette idée :un flux superbalistique pourrait permettre à ces commutateurs de fonctionner mieux que prévu (ou pourrait montrer qu'ils ne fonctionneront pas comme espéré)."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.