Une nouvelle compréhension de la physique des matériaux conducteurs a été découverte par des scientifiques observant le mouvement inhabituel des électrons dans le graphène.

Le graphène est plusieurs fois plus conducteur que le cuivre grâce, en partie, à sa structure bidimensionnelle. Dans la plupart des métaux, la conductivité est limitée par les imperfections du cristal qui provoquent une dispersion fréquente des électrons comme des boules de billard lorsqu'ils se déplacent à travers le matériau.

Maintenant, les observations d'expériences au National Graphene Institute ont fourni une compréhension essentielle du comportement particulier des flux d'électrons dans le graphène, qui doivent être pris en compte dans la conception des futurs circuits nano-électroniques.

Dans certains matériaux de haute qualité, comme le graphène, les électrons peuvent parcourir des distances micrométriques sans se disperser, l'amélioration de la conductivité par ordre de grandeur. Ce régime dit balistique, impose la conductance maximale possible pour tout métal normal, qui est défini par le formalisme de Landauer-Buttiker.

Paru aujourd'hui dans Physique de la nature , chercheurs de l'Université de Manchester, en collaboration avec des physiciens théoriciens dirigés par le professeur Marco Polini et le professeur Leonid Levitov, montrent que la limite fondamentale de Landauer peut être dépassée dans le graphène. Le mécanisme responsable de cela est encore plus fascinant.

L'année dernière, un nouveau domaine de la physique du solide appelé «hydrodynamique électronique» a suscité un énorme intérêt scientifique. Trois expériences différentes, dont une interprétée par l'Université de Manchester, démontré qu'à certaines températures, les électrons entrent en collision si fréquemment qu'ils commencent à s'écouler collectivement comme un fluide visqueux.

La nouvelle recherche démontre que ce fluide visqueux est encore plus conducteur que les électrons balistiques. Le résultat est plutôt contre-intuitif, étant donné que les événements de diffusion généralement agissent pour abaisser la conductivité d'un matériau, car ils inhibent le mouvement à l'intérieur du cristal. Cependant, quand les électrons entrent en collision les uns avec les autres, ils commencent à travailler ensemble et facilitent le flux de courant.

Cela se produit parce que certains électrons restent près des bords du cristal, où la dissipation de quantité de mouvement est la plus élevée, et avance assez lentement. À la fois, ils protègent les électrons voisins de la collision avec ces régions. Par conséquent, certains électrons deviennent super-balistiques lorsqu'ils sont guidés à travers le canal par leurs amis.

Sir Andre Geim a déclaré:"Nous savons depuis l'école qu'un désordre supplémentaire crée toujours une résistance électrique supplémentaire. Dans notre cas, le désordre induit par la diffusion d'électrons réduit en fait plutôt qu'augmente la résistance. C'est unique et assez contre-intuitif :les électrons qui composent un liquide commencent à se propager plus rapidement que s'ils étaient libres, comme dans le vide".

Les chercheurs ont mesuré la résistance des constrictions du graphène, et trouvé qu'il diminue lorsque la température augmente, contrairement au comportement métallique habituel attendu pour le graphène dopé.

En étudiant comment la résistance à travers les étranglements change avec la température, les scientifiques ont révélé une nouvelle grandeur physique qu'ils ont appelée la conductance visqueuse. Les mesures leur ont permis de déterminer la viscosité électronique avec une précision si élevée que les valeurs extraites ont montré un accord quantitatif remarquable avec la théorie.