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Gli elettroni scorrono come un liquido

20.09.2017

Nei loro ultimi esperimenti, gli scienziati del Graphene Institute dell'Università di Manchester hanno scoperto le condizioni in cui gli elettroni che si muovono attraverso il grafene si comportano in un modo molto insolito. Questo specifico movimento di elettroni offre agli scienziati una migliore comprensione dei processi fisici nei materiali elettricamente conduttivi e, nel prossimo futuro, questi stessi processi possono essere utilizzati per sviluppare circuiti nanoelettronici per chip di computer di prossima generazione veloci e ad alte prestazioni.

Nella maggior parte dei metalli, la conduttività elettrica è limitata dal numero di difetti nel loro reticolo cristallino, che causano la dispersione degli elettroni, colpendoli come palle da biliardo. Pertanto, il grafene, grazie alla sua struttura "bidimensionale", conduce l'elettricità molto meglio di qualsiasi metallo. Inoltre, in alcuni metalli puri e altri materiali con una struttura cristallina ordinata, incluso il grafene, gli elettroni possono superare distanze di micron senza dispersione a causa del cosiddetto movimento balistico. I parametri di tale moto determinano la massima conducibilità elettrica possibile del materiale, che viene chiamata limite fondamentale di Landauer.

Tuttavia, i dati ottenuti durante gli esperimenti hanno permesso agli scienziati di concludere che la legge che determina il limite fondamentale di Landauer non è osservata nel mezzo di grafene in determinate condizioni. E ciò è responsabile di un meccanismo molto insolito, che è direttamente correlato al campo della fisica relativamente nuovo chiamato idrodinamica elettronica (idrodinamica elettronica).

Il campo della fluidodinamica elettronica è emerso solo l'anno scorso dopo che scienziati dell'Università di Manchester e di altre organizzazioni scientifiche hanno dimostrato che a una certa temperatura di un materiale, gli elettroni che si muovono al suo interno iniziano a scontrarsi tra loro così spesso che il flusso di elettroni inizia a scorre come un flusso di liquido, non avendo il minimo coefficiente di viscosità. E in una nuova ricerca, gli scienziati hanno dimostrato che la presenza di questo "liquido elettronico" viscoso conferisce al materiale una conduttività elettrica maggiore rispetto al movimento balistico degli elettroni.

Il fenomeno scoperto dagli scienziati è piuttosto paradossale. Infatti, durante le collisioni di elettroni, interagiscono e si disperdono, il che, in teoria, dovrebbe indebolire la conduttività elettrica del materiale. Ma l'aumento della conduttività del materiale si verifica a causa del fatto che gli elettroni sono divisi in due parti condizionali, come un flusso d'acqua che scorre in un fiume. Quegli elettroni che si muovono in prossimità dei bordi del reticolo cristallino perdono slancio e rallentano. Ma, allo stesso tempo, fungono da protezione contro le collisioni di elettroni che si muovono nel mezzo del flusso. E questi elettroni si stanno già muovendo lungo una traiettoria superbalistica all'interno del "canale" creato dagli elettroni estremi.

"Sappiamo dalla fisica della scuola che più disordinata è la struttura di un materiale, maggiore è la sua resistenza elettrica", afferma Sir Andrew Game, "Ma nel nostro caso, il disordine causato dallo scattering dovuto alle collisioni di elettroni riduce, anziché aumentare, il resistenza elettrica del materiale In questo caso, gli elettroni iniziano a fluire come un liquido e la velocità di questo liquido supera la velocità degli elettroni con la stessa energia nel vuoto.

Gli scienziati hanno condotto una serie di esperimenti in cui è stata misurata la conduttività del grafene a varie temperature. Il confronto della conduttività del grafene puro e del grafene drogato, che ha chiare proprietà conduttive metalliche, ha consentito agli scienziati di calcolare con elevata precisione una nuova quantità fisica chiamata conduttività viscosa. E ciò che è più notevole, i dati sperimentali raccolti hanno praticamente coinciso con i dati ottenuti nel corso dei calcoli dei corrispondenti modelli matematici.

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