อิเล็กตรอนถูกดักจับให้ไหลผ่านกราฟีนเช่นเดียวกับของเหลว การไปถึงขีดจำกัดที่นักฟิสิกส์คิดว่าเป็นไปไม่ได้โดยพื้นฐานแล้ว
สื่อนำไฟฟ้าประเภทนี้เรียกว่าการไหลแบบ 'ซูเปอร์บัลลิสติก' และการทดลองใหม่นี้ชี้ให้เห็นว่ามันสามารถปฏิวัติวิธีการนำไฟฟ้าของเราได้
หากยังไม่บ้าพอ การไหลที่เร็วมากจะเกิดขึ้นจริง ๆ จากการที่อิเล็กตรอนกระเด้งออกจากกัน ซึ่งเป็นสิ่งที่ฟิสิกส์ของโรงเรียนมัธยมปลายบอกเราว่าควรจะชะลอการนำไฟฟ้าลง
แล้วเกิดอะไรขึ้นที่นี่?เป็นเวลาหลายทศวรรษนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์ว่าในบางกรณี อิเล็กตรอนอาจหยุดทำตัวเป็นปัจเจกบุคคลและชนกันบ่อยมากจนเริ่มไหลเหมือนของเหลวหนืดที่มีคุณสมบัติพิเศษเฉพาะทุกประเภท
แต่มันก็เป็นเพียงเท่านั้นปีที่แล้วที่นักวิจัยยืนยันปรากฏการณ์นี้ ซึ่งแสดงให้เห็นเป็นครั้งแรกว่าแม้ที่อุณหภูมิห้อง อิเล็กตรอนภายในกราฟีนก็สามารถทำหน้าที่เป็นของเหลวที่มีความหนืดมากกว่าน้ำผึ้งถึง 100 เท่า ซึ่งเป็นสิ่งที่นักวิจัยเรียกว่า "ความแปลกประหลาดของควอนตัมที่เกิดจากการเคลื่อนที่โดยรวมของ [อิเล็กตรอน]-
ตอนนี้เป็นทีมเดียวกันนำโดยเซอร์ อังเดร จีม- นักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ผู้ได้รับรางวัลโนเบลประจำปี 2010 จากผลงานของเขาเกี่ยวกับกราฟีน - ได้แสดงให้เห็นว่าปรากฏการณ์อิเล็กตรอนเหลวนี้บ้ากว่าที่เราคิดเสียอีก
ด้วยการปลดล็อกพฤติกรรมคล้ายของเหลวนี้ นักวิจัยจึงสามารถสังเกตอิเล็กตรอนในกราฟีนที่ทำลายขีดจำกัดพื้นฐานของอิเล็กตรอนในโลหะปกติ หรือที่เรียกว่าขีดจำกัดขีปนาวุธของ Landauer
นี่เป็นการยืนยันการทดลองครั้งแรกบางส่วนที่แสดงให้เห็นว่าฟิสิกส์รูปแบบใหม่สามารถมีพลังเพียงใด และที่สำคัญ ยังชี้ให้เห็นว่าเราอาจจวนจะใช้วิธีการใหม่ทั้งหมดในการส่งผ่านกระแสไฟฟ้าผ่านวัสดุที่มีความต้านทานเกือบเป็นศูนย์
ขณะนี้ นั่นคือสิ่งที่ตัวนำยิ่งยวดสามารถทำได้ แต่ความสามารถจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิที่เย็นจัดเท่านั้นต่ำกว่า 5.8 ก(-267°C หรือ -450°F)
แต่ในการศึกษาล่าสุด นักวิจัยสามารถสังเกตสิ่งนี้ได้การไหลที่เหนือชั้นภายในกราฟีนที่อุณหภูมิค่อนข้างอบอุ่นของ150 ก(-123°ซ และ -190°F)
ที่จริงแล้วการต่อต้านจริงๆลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ตรงกันข้ามกับสิ่งที่คุณคาดว่าจะเกิดขึ้น
สำหรับตอนนี้ นี่เป็นเพียงงานวิจัยชิ้นเดียว และทีมอิสระจะต้องตรวจสอบผลลัพธ์ของมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ แต่การค้นหาวิธีนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นที่อุณหภูมิสูงขึ้นถือเป็นหนึ่งใน 'จอกศักดิ์สิทธิ์' ของฟิสิกส์ เนื่องจากมันจะปูทางไปสู่สิ่งต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์ที่มีประสิทธิภาพขั้นสูง หรือโครงข่ายไฟฟ้าที่ไม่สูญเสียพลังงานร้อยละ 7 เป็นความร้อน-
น่าตื่นเต้นเพียงพอ แต่สำหรับชุมชนฟิสิกส์ ความก้าวหน้าที่แท้จริงคือข้อเท็จจริงที่ว่า นี่เป็นหนึ่งในการสำรวจโดยละเอียดครั้งแรกของพฤติกรรมคล้ายอิเล็กตรอนชนิดของเหลวใหม่นี้ และมันบอกเป็นนัยว่าเราเพียงแค่เกาพื้นผิวว่ามันแปลกแค่ไหน เป็นอย่างนั้นจริงๆ
สิ่งที่แปลกมากคือการไหลของอิเล็กตรอนประเภทนี้สวนทางกับทุกสิ่งทุกอย่างที่เรารู้เกี่ยวกับสื่อกระแสไฟฟ้า ซึ่งก็คือ ยิ่งอิเล็กตรอนกระจายมาก วัสดุก็ยิ่งนำไฟฟ้าได้น้อยลง
นั่นเป็นเหตุผลว่าทำไมกราฟีนจึงนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงหลายเท่า โครงสร้าง 2 มิติที่ประณีตของมันมีข้อบกพร่องน้อยกว่าโลหะทั่วไปมาก ดังนั้นอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านจะกระจายน้อยลงและเคลื่อนที่เร็วขึ้น ซึ่งเรียกว่าการไหลของขีปนาวุธ
แต่สิ่งที่ตรงกันข้ามเกิดขึ้นเมื่ออิเล็กตรอนเริ่มทำงานร่วมกันและประพฤติตัวเหมือนของไหล ซึ่งเป็นสิ่งที่การศึกษาล่าสุดนี้แสดงให้เราเห็นว่าสามารถปลดล็อกการไหลแบบซูเปอร์บอลลิสติกได้
"เรารู้จากโรงเรียนว่าความผิดปกติเพิ่มเติมมักจะสร้างความต้านทานไฟฟ้าเพิ่มเติมเสมอ"จีมกล่าว-
"ในกรณีของเรา ความผิดปกติที่เกิดจากการกระเจิงของอิเล็กตรอนจริง ๆ แล้วจะลดลงแทนที่จะเพิ่มความต้านทาน"
"นี่เป็นเอกลักษณ์และค่อนข้างขัดกับสัญชาตญาณ: อิเล็กตรอนเมื่อประกอบเป็นของเหลวเริ่มแพร่กระจายเร็วกว่าที่เป็นอิสระ เหมือนในสุญญากาศ"
มันทำงานอย่างไร? แทนที่จะเพิ่มความต้านทาน บางครั้งเมื่ออิเล็กตรอนชนกัน พวกมันสามารถเริ่มทำงานร่วมกันและลดการไหลของกระแสได้
หากคุณคิดว่าคริสตัลภายในกราฟีนเป็นช่องทางที่อิเล็กตรอนต้องไหลผ่าน อิเล็กตรอนจะช้าลงมากที่สุดเมื่อพวกมันกระเด็นออกจากขอบของช่องทาง ทำให้สูญเสียโมเมนตัม
อย่างไรก็ตาม ในพฤติกรรมของไหลนี้ อิเล็กตรอนบางตัวยังคงอยู่ใกล้ขอบ ส่งผลให้อิเล็กตรอนตัวอื่นชนกับบริเวณเหล่านั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพและช้าลง
เป็นผลให้อิเล็กตรอนบางตัวกลายเป็นซุปเปอร์บอลติกเมื่อพวกมันถูกนำทางผ่านช่องภายในกราฟีน โดยการกระเด้งออกจากเพื่อนๆ ของพวกมัน นี่เป็นสิ่งเดียวกับที่เกิดขึ้นในแม่น้ำ - กระแสน้ำจะเร็วที่สุดตรงกลาง
เซอร์ไกมและทีมงานของเขาเรียกปริมาณทางกายภาพใหม่นี้ว่า 'สื่อนำความหนืด' และเนื่องจากนี่เป็นหนึ่งในการศึกษาครั้งแรกเกี่ยวกับความสามารถของมัน และมันได้ทะลุขีดจำกัดทางกายภาพที่สำคัญไปแล้ว เราค่อนข้างมั่นใจว่าคุณจะต้องได้ยินเกี่ยวกับมันมากขึ้นอีกมาก
ดูพื้นที่นี้
งานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ในฟิสิกส์ธรรมชาติ-
