Os elétrons fluem como um líquido 20.09.2017

Em seus experimentos mais recentes, cientistas do Graphene Institute da Universidade de Manchester descobriram as condições sob as quais os elétrons que se movem através do grafeno se comportam de uma maneira muito incomum. Esse movimento específico de elétrons dá aos cientistas uma melhor compreensão dos processos físicos em materiais eletricamente condutores e, em um futuro próximo, esses mesmos processos podem ser usados ​​para desenvolver circuitos nanoeletrônicos para chips de computador de última geração rápidos e de alto desempenho.

Na maioria dos metais, a condutividade elétrica é limitada pelo número de defeitos em sua rede cristalina, que faz com que os elétrons se espalhem, atingindo-os como bolas de bilhar. Portanto, o grafeno, devido à sua estrutura "bidimensional", conduz eletricidade muito melhor do que qualquer metal. Além disso, em alguns metais puros e outros materiais com uma estrutura cristalina ordenada, incluindo o grafeno, os elétrons podem superar distâncias de mícrons sem se espalhar devido ao chamado movimento balístico. Os parâmetros desse movimento determinam a máxima condutividade elétrica possível do material, que é chamada de limite fundamental de Landauer.

No entanto, os dados obtidos durante os experimentos permitiram aos cientistas concluir que a lei que determina o limite fundamental de Landauer não é observada no meio de grafeno sob certas condições. E um mecanismo muito incomum é responsável por isso, que está diretamente relacionado ao campo relativamente novo da física chamado hidrodinâmica de elétrons (hidrodinâmica de elétrons).

O campo da dinâmica de fluidos de elétrons surgiu no ano passado depois que cientistas da Universidade de Manchester e outras organizações científicas mostraram que, a uma certa temperatura de um material, os elétrons que se movem nele começam a colidir uns com os outros com tanta frequência que o fluxo de elétrons começa a flui como um fluxo líquido, não tendo o menor coeficiente de viscosidade. E em novas pesquisas, os cientistas mostraram que a presença desse "e-líquido" viscoso dá ao material uma condutividade elétrica mais alta do que o movimento balístico dos elétrons.

O fenômeno descoberto pelos cientistas é bastante paradoxal. De fato, durante as colisões de elétrons, eles interagem e se espalham, o que, em teoria, deveria enfraquecer a condutividade elétrica do material. Mas o aumento da condutividade do material ocorre devido ao fato de os elétrons serem divididos em duas partes condicionais, como uma corrente de água fluindo em um rio. Os elétrons que se movem próximos às bordas da rede cristalina perdem seu momento e desaceleram. Mas, ao mesmo tempo, eles agem como uma proteção contra colisões de elétrons que se movem no meio do fluxo. E esses elétrons já estão se movendo ao longo de uma trajetória superbalística dentro do "canal" criado pelos elétrons extremos.

“Sabemos da física escolar que quanto mais desordenada a estrutura de um material, maior sua resistência elétrica”, diz Sir Andrew Game, “Mas no nosso caso, a desordem causada pela dispersão devido a colisões de elétrons reduz, em vez de aumentar, a resistência elétrica do material, neste caso, os elétrons começam a fluir como um líquido e a velocidade desse líquido supera a velocidade dos elétrons com a mesma energia no vácuo.

Os cientistas conduziram uma série de experimentos nos quais a condutividade do grafeno foi medida em várias temperaturas. A comparação da condutividade do grafeno puro e do grafeno dopado, que possui propriedades condutoras metálicas claras, permitiu aos cientistas calcular com alta precisão uma nova quantidade física chamada condutividade viscosa. E o que é mais notável, os dados experimentais coletados praticamente coincidiram com os dados obtidos durante os cálculos dos modelos matemáticos correspondentes.