אלקטרונים זורמים כמו נוזל 20.09.2017

בניסויים האחרונים שלהם, מדענים ממכון גרפן באוניברסיטת מנצ'סטר גילו את התנאים שבהם אלקטרונים הנעים דרך גרפן מתנהגים בצורה מאוד חריגה. תנועה ספציפית זו של אלקטרונים מעניקה למדענים הבנה טובה יותר של התהליכים הפיזיקליים בחומרים מוליכים חשמלית, ובעתיד הקרוב, אותם תהליכים יכולים לשמש לפיתוח מעגלים ננו-אלקטרוניים עבור שבבי מחשב מהירים ובעלי ביצועים גבוהים מהדור הבא.

ברוב המתכות, המוליכות החשמלית מוגבלת על ידי מספר הפגמים בסריג הגביש שלהן, הגורמים לאלקטרונים להתפזר ופוגעים בהם כמו כדורי ביליארד. לכן, הגרפן, בשל המבנה ה"דו מימדי" שלו, מוליך חשמל הרבה יותר טוב מכל מתכת. בנוסף, בחלק ממתכות טהורות וחומרים אחרים בעלי מבנה גבישי מסודר, כולל גרפן, אלקטרונים יכולים להתגבר על מרחקים של מיקרונים מבלי להתפזר בשל מה שנקרא התנועה הבליסטית. הפרמטרים של תנועה כזו קובעים את המוליכות החשמלית המרבית האפשרית של החומר, הנקראת הגבול הבסיסי של לנדואר.

עם זאת, הנתונים שהתקבלו במהלך הניסויים אפשרו למדענים להגיע למסקנה שהחוק הקובע את גבול לנדואר הבסיסי אינו נשמר במדיום הגרפן בתנאים מסוימים. ומנגנון אחד מאוד יוצא דופן אחראי לכך, שקשור ישירות לתחום החדש יחסית של הפיזיקה שנקרא הידרודינמיקה של אלקטרונים (אלקטרון הידרודינמיקה).

תחום דינמיקת נוזלי האלקטרונים הופיע רק בשנה שעברה לאחר שמדענים מאוניברסיטת מנצ'סטר וארגונים מדעיים אחרים הראו כי בטמפרטורה מסוימת של חומר, אלקטרונים הנעים בו מתחילים להתנגש זה בזה לעתים קרובות כל כך עד שזרימת האלקטרונים מתחילה לזרום כמו זרימת נוזל, ללא מקדם הצמיגות הקטן ביותר. ובמחקר חדש, מדענים הראו שהנוכחות של "נוזל אלקטרוני" צמיג זה מעניקה לחומר מוליכות חשמלית גבוהה יותר מהתנועה הבליסטית של אלקטרונים.

התופעה שגילו מדענים היא פרדוקסלית למדי. ואכן, במהלך התנגשויות של אלקטרונים, הם מתקשרים ומתפזרים, מה שבתיאוריה אמור להחליש את המוליכות החשמלית של החומר. אבל העלייה במוליכות החומר מתרחשת בשל העובדה שהאלקטרונים מחולקים לשני חלקים מותנים, כמו זרם מים הזורם בנהר. אותם אלקטרונים שנעים בסמיכות לקצוות של סריג הגביש מאבדים את התנופה שלהם ומאטים. אבל, באותו זמן, הם פועלים כהגנה מפני התנגשויות של אלקטרונים הנעים באמצע הזרם. והאלקטרונים האלה כבר נעים לאורך מסלול סופר-בליסטי בתוך ה"ערוץ" שנוצר על ידי האלקטרונים הקיצוניים.

"אנחנו יודעים מהפיזיקה של בית הספר שככל שמבנה החומר לא מסודר יותר, ההתנגדות החשמלית שלו גדלה", אומר סר אנדרו גיים, "אבל במקרה שלנו, ההפרעה הנגרמת מהפיזור עקב התנגשויות אלקטרונים מפחיתה, במקום מגבירה, את התנגדות חשמלית של החומר במקרה זה, האלקטרונים מתחילים לזרום כמו נוזל ומהירות הנוזל הזה עולה על מהירות האלקטרונים עם אותה אנרגיה בוואקום.

המדענים ערכו סדרה של ניסויים שבהם נמדדה מוליכות הגרפן בטמפרטורות שונות. השוואה בין המוליכות של גרפן טהור וגרפן מסומם, בעל תכונות מוליכות מתכתיות ברורות, אפשרה למדענים לחשב בדיוק גבוה גודל פיזיקלי חדש הנקרא מוליכות צמיגה. ומה שהכי מדהים, הנתונים הניסויים שנאספו עלו בקנה אחד עם הנתונים שהושגו במהלך חישובים של המודלים המתמטיים המתאימים.