W grafenie elektrony zachowują się jak płyn

Odkryty przed 10 laty grafen wciąż zaskakuje naukowców. Uczeni z Uniwersytetu Harvarda i Raytheon BBN Tehnology zaobserwowali, że elektrony w grafenie zachowują się jak płyn. To pierwsze takie zjawisko zaobserwowane w metalu. Grafen możemy zaś traktować jak metal, gdyż odpowiada definicji, zgodnie z którą metale posiadają przerwę energetyczną, w której pasmo przewodnictwa zachodzi na pasmo walencyjne. Substancje takie jak grafen nazywa się czasem metalami organicznymi.

Zaobserwowanie tego zjawiska było możliwe dzięki uzyskaniu wyjątkowo czystej próbki grafenu oraz opracowanie nowej metody pomiaru przewodnictwa cieplnego. Badania takie mogą doprowadzić z jednej strony do pojawienia się nowych urządzeń termoelektrycznych, a z drugiej - do powstania modelu wyjaśniającego zachowanie czarnych dziur czy wysokoenergetycznej plazmy.

W zwykłych trójwymiarowych metalach elektrony rzadko wchodzą w interakcje. Jednak dwuwymiarowa struktura plastra miodu, charakterystyczna dla grafenu, działa jak autostrada elektronów. Zachowują się one na niej jak relatywistyczne obiekty pozbawione masy. Poruszają się niezwykle szybko i dochodzi między nimi do biliardów zderzeń w czasie sekundy. Nigdy wcześniej nie zaobserwowano takiego zachowania się elektronów w metalach.

Zespół profesora Philipa Kima umieścił ultra czystą próbkę grafenu pomiędzy dziesiątkami warstw izolującego idealnego kryształu o strukturze atomowej podobnej do struktury grafenu. Jeśli mamy materiał o grubości jednego atomu, to środowisko będzie miało nań duży wpływ. Jeśli grafen znajduje się na wierzchu, jest nieuporządkowany i zanieczyszczony, będzie dochodziło do zaburzenia ruchu elektronów. To naprawdę ważne, by stworzyć grafen, który nie wchodzi w interakcje z otoczeniem - mówi Jesse Crossno, jeden ze współpracowników profesora Kima. Następnie naukowcy doprowadzili do pojawienia się na powierzchni tak przygotowanego grafenu ujemnie i dodatnio naładowanych cząstek i obserwowali ich ruch.

Okazało się, że gdy silnie oddziałujące ze sobą cząstki w grafenie były poddane działaniu pola elektrycznego, zachowywały się nie jak indywidualne cząstki, a jak płyn. Ich ruch można było opisać za pomocą zasad hydrodynamiki. Obserwowaliśmy energię, która przepływała przez wiele cząstek, jak fala przez wodę - mówi Crossno. Obserwujemy w grafenie prawa fizyki, które odkryliśmy badając czarne dziury i teorię strun - mówi profesor Andrew Lucas. To pierwszy system relatywistycznej hydrodynamiki w metalu - dodaje.

elektron grafen metal płyn