La résistance électrique est un concept simple :un peu comme la friction ralentissant un objet roulant sur une surface, la résistance ralentit le flux d'électrons à travers un matériau conducteur. Mais deux physiciens ont maintenant découvert que les électrons peuvent parfois coopérer pour renverser la résistance, produisant des tourbillons et un reflux de courant électrique.

La prédiction de la "résistance négative" n'est qu'un des ensembles d'effets fluides contre-intuitifs et bizarres rencontrés dans certaines circonstances exotiques, impliquant des systèmes de particules en interaction forte dans une feuille de graphène, une forme bidimensionnelle de carbone. Les résultats sont décrits dans un article paru aujourd'hui dans la revue Physique de la nature , par le professeur de physique du MIT Leonid Levitov et Gregory Falkovich, professeur à l'Institut des sciences Weizmann d'Israël.

Les électrons du graphène se déplacent de manière parfaitement coordonnée, ressemblant à bien des égards au mouvement de fluides visqueux à travers un tube où ils sont fortement affectés par les turbulences et les tourbillons. Cela est dû aux interactions produisant une réponse de champ de courant à longue portée, tout à fait différent du simple comportement « individualiste » attendu dans des circonstances ordinaires, quand les électrons se déplacent en lignes droites comme des flippers rebondissant parmi les ions, comme décrit par la loi d'Ohm, disent les chercheurs.

La notion de viscosité électronique avait déjà été suggérée en théorie, mais cela s'était avéré difficile à tester car personne n'avait trouvé de moyen d'observer directement de tels phénomènes. Maintenant, Levitov et Falkovich disent avoir découvert un ensemble de signes pouvant servir d'indicateur de tels effets collectifs dans les flux d'électrons.

Ce travail est « une application remarquable de la compréhension théorique à la prédiction d'un nouvel effet observable expérimentalement, " dit Subir Sachdev, un professeur de physique à l'Université Harvard qui n'était pas impliqué dans ce travail. Il dit que cette idée est "très importante et ouvre un nouveau chapitre dans l'étude du flux d'électrons dans les métaux".

Un système de référence

"Il y a toujours eu une sorte de dichotomie entre ce qui est facile à faire en théorie et ce qui est facile à faire dans les expériences, " dit Levitov. " Il y avait une recherche d'un système idéal qui serait facile pour les expérimentateurs de travailler avec et serait également un système de référence avec des interactions fortes qui montreraient des phénomènes interactifs forts. " Maintenant, il dit, le graphène fournit bon nombre des qualités recherchées d'un tel système.

Sur une surface de graphène, Levitov dit, "vous avez des électrons se comportant comme des particules relativistes couplées par des interactions à longue portée et assez fortes." A l'exception possible des fluides exotiques tels que les plasmas de quarks et de gluons, il dit, le graphène peut être plus proche de la notion d'un parfait "fluide fortement interactif, " un concept théorique important en physique quantique, que tout autre système que nous connaissons actuellement.

Le comportement collectif des porteurs de charge dans de tels systèmes à interaction forte est assez particulier. "En réalité, ce n'est pas si différent de la mécanique des fluides, " dit Levitov. La façon dont les fluides se déplacent peut être calculée "avec très peu de connaissances sur la façon dont les atomes individuels du liquide interagissent. Nous ne nous soucions pas beaucoup" des mouvements individuels ; c'est le comportement collectif qui compte dans de telles situations, il dit.

Dans l'environnement du graphène, effets quantiques, qui sont généralement insignifiants à des échelles supérieures à celle des particules individuelles, jouer un rôle prépondérant, il dit. Dans ce cadre, "nous montrons que [la façon dont les porteurs de charge se déplacent] a un comportement collectif similaire à celui d'autres fluides en interaction forte, comme l'eau."

Comment le détecter ?

Mais bien que ce soit vrai en théorie, il dit, "La question est, même si nous l'avons" - c'est-à-dire, ce comportement semblable à celui d'un fluide - « comment le détectons-nous ? Contrairement aux fluides ordinaires, où vous pouvez suivre directement le flux en y mettant des perles, par exemple, dans ce système, nous n'avons aucun moyen de voir le flux directement. » Mais en raison de la structure bidimensionnelle du graphène, tandis que les électrons se déplacent à travers le matériau "nous pouvons obtenir des informations à partir de mesures électriques" effectuées de l'extérieur, où il est possible de placer des sondes à n'importe quel endroit de la feuille.

La nouvelle approche repose sur le fait que « si vous avez un écoulement visqueux, vous vous attendez à ce que les différentes parties du liquide se traînent les unes sur les autres et produisent des tourbillons. Ils vont créer un flux qui va entraîner les particules voisines et va entraîner un vortex, " dit Levitov. Plus précisément, un écoulement direct au milieu d'un ruban de graphène s'accompagnera de tourbillons se développant le long des côtés. Dans ces tourbillons, les électrons peuvent en fait circuler dans la direction opposée à celle du champ électrique appliqué, ce qui entraîne ce que les physiciens appellent une résistance négative.

Alors que les tourbillons eux-mêmes ne peuvent pas être observés directement, le recul du flux d'électrons dans certaines parties du matériau peut être mesuré et comparé aux prédictions théoriques.

Bien que Levitov et Falkovich n'aient pas personnellement mené de telles expériences, Levitov dit que certaines découvertes énigmatiques récentes semblent correspondre au modèle prédit. Dans une expérience qui vient d'être rapportée, il dit que "les chercheurs ont vu quelque chose de similaire, où la tension sur le côté devient négative. Il est très tentant de dire " que ce qu'ils ont vu est une manifestation des phénomènes prédits par ce travail.

Pas seulement l'analogie

La comparaison du comportement des électrons dans le graphène à la dynamique des fluides "n'est pas seulement une analogie, mais une correspondance directe, " dit Levitov. Mais il y a des différences importantes, y compris le fait que ce fluide porte une charge électrique, il ne se comporte donc pas exactement comme de l'eau s'écoulant dans un tuyau mais plutôt d'une manière similaire à certains plasmas, qui sont essentiellement des nuages ​​de particules chargées.

Parce qu'il s'agit d'un travail de démarrage, Levitov dit, il est trop tôt pour dire s'il pourrait un jour avoir des applications pratiques. Mais une implication surprenante de ce travail est que le transport de chaleur peut se coupler fortement au transport de charge. C'est-à-dire, la chaleur peut monter au sommet du flux de charge et se propager de manière ondulatoire beaucoup plus rapidement que dans des conditions ordinaires, peut-être jusqu'à 10 à 100 fois plus vite. Ce comportement, si atteint, pourrait être exploité à un moment donné, peut-être dans des dispositifs de détection avec des temps de réponse très rapides, il spécule.

André Geim, un professeur de physique de la matière condensée à l'Université de Manchester au Royaume-Uni qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit, "C'est un brillant morceau de théorie, ce qui concorde très bien avec nos récentes découvertes expérimentales." Ces expériences, il dit, " a détecté les tourbillons prédits par le groupe de Levitov et a montré que le liquide électronique dans le graphène était 100 fois plus visqueux que le miel, contrairement à la croyance universelle selon laquelle les électrons se comportent comme un gaz."

Geim ajoute que le graphène est de plus en plus utilisé dans une variété d'applications, et dit, "Les ingénieurs en électronique ne peuvent pas vraiment utiliser le matériau sans comprendre ses propriétés électroniques. Que vos électrons se déplacent comme des balles ou nagent dans la mélasse créant des tourbillons fait évidemment une énorme différence."

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.