Vous ne voulez normalement pas mélanger l'électricité et l'eau, mais l'électricité se comportant comme de l'eau a le potentiel d'améliorer les appareils électroniques. Les travaux récents des groupes de l'ingénieur James Hone à Columbia et du physicien théoricien Shaffique Adam à l'Université nationale de Singapour et à Yale-NUS permettent de mieux comprendre ce comportement hydrodynamique inhabituel qui modifie certaines hypothèses anciennes sur la physique des métaux. L'étude a été publiée le 15 avril dans la revue Science Advances .

Dans le travail, l'équipe a étudié le comportement d'un nouveau semi-conducteur dans lequel des électrons chargés négativement et des "trous" chargés positivement transportent simultanément du courant. Ils ont découvert que ce courant peut être décrit avec seulement deux équations "hydrodynamiques":une décrivant comment les électrons et les trous glissent les uns contre les autres, et une seconde comment toutes les charges se déplacent ensemble à travers le réseau atomique du matériau.

"Des formules simples signifient généralement une physique simple", a déclaré Hone, qui a été étonné lorsque le postdoc d'Adam, Derek Ho, a construit le nouveau modèle, qui remet en question les hypothèses que de nombreux physiciens apprennent sur les métaux au début de leur formation. "On nous a tous appris que dans un métal normal, tout ce que vous avez vraiment besoin de savoir, c'est comment un électron rebondit sur divers types d'imperfections", a déclaré Hone. "Dans ce système, les modèles de base que nous avons appris dans nos premiers cours ne s'appliquent tout simplement pas."

Dans les fils métalliques transportant un courant électrique, il existe de nombreux électrons en mouvement qui s'ignorent largement, comme des passagers dans un métro bondé. Au fur et à mesure que les électrons se déplacent, ils rencontrent inévitablement soit des défauts physiques dans le matériau qui les transporte, soit des vibrations qui les font se disperser. Le courant ralentit et l'énergie est perdue. Mais, dans les matériaux qui ont un plus petit nombre d'électrons, ces électrons interagissent fortement les uns avec les autres et couleront ensemble, comme de l'eau à travers un tuyau. Ils rencontrent toujours les mêmes imperfections, mais leur comportement est complètement différent :au lieu de penser à la diffusion aléatoire d'électrons individuels, vous devez maintenant traiter l'ensemble des électrons (et des trous) ensemble, a déclaré Hone.

Pour tester expérimentalement leur nouveau modèle simple de conductivité hydrodynamique, l'équipe a étudié le graphène bicouche, un matériau composé de deux feuilles de carbone minces. Le doctorat de Hone. L'étudiant Cheng Tan a mesuré la conductivité électrique de la température ambiante jusqu'à un niveau proche du zéro absolu en faisant varier la densité des électrons et des trous. Tan et Ho ont trouvé une excellente correspondance entre le modèle et leurs résultats. "Il est frappant de constater que les données expérimentales concordent tellement mieux avec la théorie hydrodynamique que l'ancienne "théorie standard" sur la conductivité", a déclaré Ho.

Le modèle fonctionnait lorsque le matériau était réglé de manière à permettre l'activation et la désactivation de la conductivité, et le comportement hydrodynamique était prédominant même à température ambiante. "Il est vraiment remarquable que le graphène bicouche ait été étudié pendant plus de 15 ans, mais jusqu'à présent, nous n'avions pas correctement compris sa conductivité à température ambiante", a déclaré Hone, qui est également professeur Wang Fong-Jen et directeur du Département de génie mécanique. chez Columbia Engineering.

La conductivité à température ambiante et à faible résistance pourrait avoir des applications très pratiques. Les matériaux supraconducteurs existants, qui conduisent l'électricité sans résistance, doivent être maintenus incroyablement froids. Des matériaux capables d'un écoulement hydrodynamique pourraient aider les chercheurs à créer des dispositifs électroniques plus efficaces, appelés composants électroniques visqueux, qui ne nécessitent pas un refroidissement aussi intense et coûteux.

À un niveau plus fondamental, l'équipe a vérifié que le mouvement de glissement entre les électrons et les trous n'est pas spécifique au graphène, a déclaré Adam, professeur associé au Département de science et génie des matériaux de l'Université nationale de Singapour et de la Division des sciences de Yale. -Collège NUS. Parce que ce mouvement relatif est universel, les chercheurs devraient pouvoir le trouver dans d'autres matériaux, d'autant plus que l'amélioration des techniques de fabrication continue de produire des échantillons de plus en plus propres, que le Hone Lab s'est concentré sur le développement au cours de la dernière décennie. À l'avenir, les chercheurs pourraient également concevoir des géométries spécifiques pour améliorer encore les performances des appareils conçus pour tirer parti de ce comportement collectif unique semblable à l'eau. + Explorer plus loin

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