ลองนึกภาพคุณมีคน 50 คนพยายามเบียดเสียดผ่านประตูเดียวกันในเวลาเดียวกัน ปัญหาคอขวดที่เต็มไปด้วยความเครียดมักจะทำให้ทุกคนช้าลง แต่จะเกิดอะไรขึ้นหากกลุ่มคนเหล่านั้นสามารถผ่านพ้นไปได้เร็วขึ้นกว่ามีคนหนึ่งผ่านไปคนเดียว?
ฟังดูบ้า แต่นั่นคือสิ่งที่นักฟิสิกส์ได้ค้นพบวิธีการใช้อิเล็กตรอน โดยแสดงให้เห็นว่าภายใต้เงื่อนไขบางประการ อิเล็กตรอนกลุ่มใหญ่สามารถบีบผ่านช่องว่างในแผ่นโลหะได้เร็วกว่าที่ฟิสิกส์ในปัจจุบันจะคาดเดาได้
เรียกว่า กกระแส 'ซูเปอร์บอลลิสติก'พฤติกรรมที่เพิ่งค้นพบนี้อธิบายว่ากลุ่มอิเล็กตรอนสามารถเดินทางผ่านพื้นที่แคบได้เร็วกว่าอิเล็กตรอนตัวเดียวได้อย่างไร และอาจนำไปสู่วัสดุที่สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้โดยแทบไม่มีความต้านทานเลย
นั่นคงจะใหญ่มากเพราะในขณะที่ตัวนำยิ่งยวดเสนอความต้านทานเป็นศูนย์ - ทำให้เป็นหนึ่งในสิ่งที่น่าสนใจที่สุดและอาจมีกำไรปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ - สามารถทำได้ที่อุณหภูมิเย็นจัดเป็นพิเศษที่ต่ำกว่า 5.8 K (-267°C หรือ -450°F)
หากนักวิจัยสามารถสร้างการไหลของอิเล็กตรอนแบบซูเปอร์บอลลิสติกใหม่ในวัสดุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้ พวกเขาก็จะได้รับประโยชน์หลายประการจากความเป็นตัวนำยิ่งยวดในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิห้องซึ่งเป็นที่ปรารถนาอย่างมาก
อธิบายถึงแบบจำลองทางทฤษฎีใหม่ที่ว่าอิเล็กตรอนไหลผ่านช่องว่างโลหะเล็กๆ ได้อย่างไร นักฟิสิกส์จาก MIT พบว่ากลุ่มอิเล็กตรอนขนาดใหญ่สามารถ 'ประสานงาน' ซึ่งกันและกันได้จริงเพื่อให้เกินขีดจำกัดความเร็วพื้นฐานสำหรับอิเล็กตรอนในพื้นที่แคบ หรือที่เรียกว่า Landauer's ขีด จำกัด ของขีปนาวุธ
"[W]e สามารถเอาชนะขอบเขตนี้ซึ่งทุกคนคิดว่าเป็นขีดจำกัดพื้นฐานเกี่ยวกับความสามารถในการสื่อกระแสไฟฟ้าได้สูงเพียงใด" หนึ่งในทีม Leonid Levitovบอกกับ David L. Chandler ที่ข่าวเอ็มไอที
“เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าเราสามารถทำได้ดีกว่านั้น”
เมื่อจำลองพฤติกรรมของอิเล็กตรอนที่บีบผ่านช่องเปิดที่แคบ พวกเขาประหลาดใจที่พบว่าอนุภาคมูลฐานเหล่านี้มีลักษณะคล้ายกับฟิสิกส์ที่รู้จักในที่ทำงานในอนุภาคก๊าซที่ผ่านจุดคับแคบ
หากคุณเห็นก๊าซไหลผ่านช่องทางแคบในระดับโมเลกุล คุณจะเห็นว่าอนุภาคแต่ละตัวจะเคลื่อนที่แบบสุ่ม และมีแนวโน้มที่จะชนผนังอุโมงค์สองสามครั้งระหว่างทางมากกว่าที่จะทำให้เกิด การเดินทางที่สะอาดไร้สิ่งกีดขวางตลอดเส้นทาง
และหากคุณกระเด้งออกจากกำแพงขณะวิ่ง คุณจะสูญเสียพลังงาน ซึ่งจะทำให้ความก้าวหน้าของคุณช้าลงทุกครั้ง
“แต่ด้วยโมเลกุลที่ใหญ่กว่า พวกมันส่วนใหญ่จะชนเข้ากับโมเลกุลอื่นบ่อยกว่าที่จะชนผนัง”แชนด์เลอร์กล่าว
“การชนกับโมเลกุลอื่นๆ นั้น 'ไม่สูญเสีย' เนื่องจากพลังงานทั้งหมดของอนุภาคทั้งสองที่ชนกันจะยังคงอยู่ และไม่มีการชะลอตัวโดยรวมเกิดขึ้น"
นั่นหมายความว่ามี 'ความปลอดภัยเป็นตัวเลข' เมื่อพูดถึงการปกป้องโมเลกุลของก๊าซแต่ละโมเลกุลจากการชนกันโดยสิ้นเปลืองพลังงาน
"โมเลกุลในก๊าซสามารถบรรลุผลได้ผ่าน 'ความร่วมมือ' ซึ่งสิ่งที่พวกเขาไม่สามารถทำได้ทีละโมเลกุล"เลวิตอฟกล่าว
ไม่เพียงเท่านั้น กฎฟิสิกส์ยังกำหนดอีกด้วยว่าเมื่อความหนาแน่นของโมเลกุลก๊าซในอุโมงค์เพิ่มขึ้น ความดันที่จำเป็นในการผลักพวกมันผ่านหยด ทำให้โมเลกุลที่จัดกลุ่มมีความเร่งซึ่งแต่ละโมเลกุลไม่สามารถทำได้
เมื่อ Levitov และทีมงานของเขาสร้างสถานการณ์นี้ขึ้นใหม่โดยใช้อิเล็กตรอนและโลหะหลายชนิด รวมทั้งด้วยวัสดุมหัศจรรย์ที่ทุกคนชื่นชอบ-กราฟีน- พวกเขาพบว่าอิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่ในลักษณะที่ประสานกันเรียบร้อย
นี่เป็นสิ่งที่คาดไม่ถึงโดยสิ้นเชิง และทำลายขีดจำกัดขีปนาวุธของ Landauer ที่กำหนดไว้อย่างดี เปิดทางสำหรับความเร็วใหม่ - superballistic
“เรา … เห็นว่าอิเล็กตรอนที่มีการไหลแบบหนืดสามารถบรรลุผลสำเร็จได้ด้วยความร่วมมือในสิ่งที่พวกมันไม่สามารถทำได้ทีละตัว”นักวิจัยรายงานในรายงานของพวกเขา
"ความต้านทานที่ลดลงเกิดขึ้นเนื่องจากเอฟเฟกต์การสตรีม ซึ่งกระแสอิเล็กตรอนรวมตัวกันเป็นกระแสที่ข้ามขอบเขต ซึ่งเกิดการสูญเสียโมเมนตัม พฤติกรรมที่น่าประหลาดใจนี้ถือเป็นการเบี่ยงเบนไปจากมุมมองทั่วไปอย่างชัดเจน ซึ่งถือว่าปฏิสัมพันธ์ของอิเล็กตรอนเป็นอุปสรรคสำหรับ ขนส่ง."
แล้วตอนนี้ล่ะ? เมื่อพิจารณาว่านักวิจัยได้สร้างพฤติกรรมของก๊าซในอิเล็กตรอนซึ่งเป็นสิ่งที่ให้พลังงานกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเรา การค้นพบชี้ไปที่อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่สามารถให้ผลผลิตสูงโดยใช้พลังงานต่ำ
และแตกต่างจากการนำไฟฟ้ายิ่งยวดซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าเป็นศูนย์ในราคาที่อุณหภูมิต่ำอย่างไม่น่าเชื่อซึ่งมีราคาแพง เทคนิคนี้ทำงานที่อุณหภูมิห้อง และได้รับจริง ๆดีกว่ายิ่งคุณเพิ่มอุณหภูมิมากขึ้น
"[กระแสซูเปอร์บอลลิสติก] ได้รับความช่วยเหลือจากอุณหภูมิ แทนที่จะถูกขัดขวาง"เลวิตอฟบอกข่าวเอ็มไอที-
นักวิจัยยอมรับว่างานของพวกเขาเป็นเพียงทฤษฎีเท่านั้น แต่ชี้ให้เห็นว่าแง่มุมต่างๆ ของการทำนายได้รับการพิสูจน์แล้วโดยการทดลองโดยการศึกษาก่อนหน้านี้-
และนักฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด เดวิด โกลด์ฮาเบอร์-กอร์ดอน ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้องกับการวิจัยนี้ กล่าวว่า จริงๆ แล้วการทดสอบการคาดการณ์เหล่านี้อยู่ในการทดลองจะเป็นไปได้โดยสิ้นเชิงในห้องปฏิบัติการโดยใช้กราฟีน
เราจะต้องรอดูว่าการคำนวณของทีมนั้นถูกต้องหรือไม่ แต่ความเป็นตัวนำยิ่งยวดควรระวังไว้ดีกว่า - เราอาจมีบางสิ่งที่ดีกว่าอยู่ในมือของเรา
งานวิจัยที่ได้รับการตีพิมพ์ในการดำเนินการของสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งชาติ.
