پژوهشگران یک نیمه رسانای هیدرودینامیکی کشف کرده اند که در آن ا | انجمن علمی فیزیک و نجوم دانشگاه صنعتی امیرکبیر

پژوهشگران یک نیمه رسانای هیدرودینامیکی کشف کرده اند که در آن الکترون ها مانند آب جریان دارد!!!

شما معمولا نمی‌خواهید الکتریسیته و آب را با هم مخلوط کنید، اما رفتار الکتریسیته‌ی آب مانند، پتانسیل بهبود دستگاه‌های الکترونیکی را دارد. کار اخیر گروه‌ مهندس جیمز هان در کلمبیا و فیزیکدان نظری شفیک آدام در دانشگاه ملی سنگاپور، درک جدیدی از این رفتار هیدرودینامیکی غیرعادی ایجاد می‌کند که برخی فرضیات قدیمی در مورد فیزیک فلزات را تغییر می‌دهد. این مطالعه در 15 آوریل در ژورنال Science Advances ،منتشر شد.

این‌ تیم، رفتار یک نیمه رسانای جدید را مورد مطالعه قرار داد که در آن الکترون ها با بار منفی و "حفره ها" با بار مثبت به طور همزمان جریان را حمل می‌کنند. آنها دریافتند که این جریان را می توان تنها با دو معادله "هیدرودینامیکی" توصیف کرد: اولی چگونگی لغزش الکترون ها و حفره ها روی یکدیگر را توضیح می‌دهد و دومی شرح میدهد که چگونه همه بارها با یکدیگر در شبکه اتمی فلز حرکت می‌کند.

هان می‌گوید: «فرمول های ساده معمولاً به معنای فیزیک ساده هستند». او ادامه می‌دهد: «به همه ما آموخته‌اند که در یک فلز معمولی، تنها چیزی که واقعاً باید بدانید این است که چگونه یک الکترون از نقص های ساختاری گوناگون جهش می‌کند... .»

در سیم‌های فلزی که حامل جریان الکتریکی هستند، الکترون‌های متحرک زیادی وجود دارند که مانند مسافران در متروی شلوغ، یکدیگر را تا حد زیادی نادیده می‌گیرند. همانطور که الکترون ها حرکت می کنند، ناگزیر با نقص های فیزیکی در مواد حامل آنها، با ارتعاشاتی مواجه می شوند که باعث پراکندگی آنها می شود. جریان کاهش می یابد و انرژی از دست می‌رود. اما، در موادی که تعداد الکترون‌های کمتری دارند، الکترون‌ها شدیدا با یکدیگر برهمکنش کرده و مانند آب در یک لوله با هم جریان می‌یابند. آن‌ها هنوز با همان نواقص روبرو می‌شوند، اما رفتارشان کاملاً متفاوت است: به‌گفته هان، به‌جای اینکه به تک تک الکترون‌ها فکر کنید که به‌طور تصادفی پراکنده می‌شوند، اکنون باید کل مجموعه الکترون‌ها (و حفره‌ها) را درنظر بگیرید.

این تیم برای آزمایش مدل جدید رسانش هیدرودینامیکی خود، گرافین دولایه - ماده ای ساخته شده از دو ورقه نازک کربن به اندازه اتم - را مورد مطالعه قرار دادند. دانشجوی دکترای هون ،چنگ تان، همان طور که چگالی الکترون‌ها و حفره‌ها را تغییر می‌داد، رسانایی الکتریکی را از دمای اتاق تا نزدیک به صفر مطلق اندازه‌گیری کرد. تان و هو تطابق بسیار خوبی بین مدل و نتایج خود پیدا کردند. هو می‌گوید: «این قابل توجه است که داده‌های تجربی با نظریه هیدرودینامیکی بسیار بهتر از «نظریه استاندارد» قدیمی درباره رسانایی همخوانی دارند».

این مدل زمانی کار می‌کرد که مواد به‌گونه‌ای تنظیم می‌شد که اجازه می‌داد رسانش قطع و وصل شود و رفتار هیدرودینامیکی حتی در دمای اتاق نیز قابل توجه بود.
هان که پروفسور وانگ فونگ جن و رئیس دپارتمان مهندسی مکانیک است، می‌گوید: «واقعاً قابل توجه است که گرافن دولایه برای بیش از 15 سال مورد مطالعه قرار گرفته است، اما تاکنون به درستی رسانش آن را در دمای اتاق، درک نکرده‌ایم».

رسانش در دمای اتاق با مقاومت کم می تواند کاربردهای بسیار عملی داشته باشد. مواد ابررسانای موجود که الکتریسیته را بدون مقاومت هدایت می‌کنند، باید به‌طور باورنکردنی سرد نگه داشته شوند. موادی که دارای جریان هیدرودینامیکی هستند، می‌توانند به محققان کمک کنند تا دستگاه‌های الکتریکی با بازده بیشتری بسازند - به نام الکترونیک چسبناک - که نیازی به خنک‌سازی شدید و پرهزینه ندارند.

آدام، دانشیار دپارتمان علوم و مهندسی مواد در دانشگاه ملی سنگاپور و بخش علوم در ییل می‌گوید: «این تیم در سطح بنیادی تری، تأیید کرده است که حرکت لغزشی بین الکترون ها و حفره ها، مختص گرافین نیست».
از آنجایی که این حرکت نسبی جهان شمول است، محققان باید بتوانند آن را در مواد دیگر بیابند - به خصوص که به بهبود تکنیک‌های ساخت نمونه‌های هرچه تمیزتری منجر می‌شود، که آزمایشگاه هان در دهه گذشته بر روی توسعه آن تمرکز کرده است.
همچنین ممکن است محققان در آینده، هندسه‌های خاصی را برای بهبود عملکرد دستگاه‌هایی طراحی کنند که برای بهره‌گیری از این رفتار جمعی منحصربه‌فرد شبیه آب ساخته شده‌اند.

مترجم: خسرو همت

منبع خبر:
Researchers explore a hydrodynamic semiconductor where electrons flow like water
https://phys.org/news/2022-07-explore-hydrodynamic-semiconductor-electrons.html

@PSA_AUT