استثناء لقانون أوم؟ يجعل الجرافين الإلكترونات تتصرف مثل سائل لزج له 'مقاومة سلبية'

جذب الأضداد. إنها إحدى القواعد الأساسية التي تشرح سبب قيام الكهرباء والمغناطيسية بعملهما. يحتوي المغناطيس والشحنة على 'نكهات' نطلق عليها الأقطاب ، مثل الشحنات المتنافرة ، والقطبية الكهربائية للنظام تحدد اتجاه تدفق التيار. باستثناء - على ما يبدو يضع الجرافين علامة النجمة بعد معادلات ماكسويل.

توصل فريقان من علماء الفيزياء للتو إلى دليل على أن الجرافين يجعل الإلكترونات تعمل بشكل أقل مثل حاملات الشحنة التي تتحرك بسرعات نسبية وتشبه إلى حد كبير سائل لزج ، يتدفق عكس التيار الكهربائي في الدوامات والدوامات مثل تلك الموجودة على حافة النهر. هذه الخاصية تجعل الإلكترونات تتدفق عكس القطبية الكهربائية في ظاهرة يسميها الفيزيائيون 'المقاومة السلبية' فيزياء الطبيعة و علم تقرير ، لقد رأينا ذلك يحدث أخيرًا في درجة حرارة الغرفة.



المقاومة السلبية

يحتوي الجرافين على مقطع عرضي غريب من الخصائص الكهرومغناطيسية ، بما في ذلك الموصلية العالية والمقاومة المنخفضة ، مثل المعادن. على عكس المعدن ، يقوم الجرافين ببعض الأشياء الغريبة حقًا للإلكترونات التي تمر عبره. عندما تمرر التيار عبر سلك ، فإنه يتحرك في الغالب في تدفق رقائقي ناعم ، بطريقة نسميها عادة 'بالستية'. العيوب في المادة هي القوة الدافعة المهيمنة التي تسبب الاضطراب في النظام ، وهذا تأثير طفيف.



كنا نظن أن الجرافين يتصرف بنفس الطريقة ، مع حدوث انحرافات الإلكترون الوحيدة عند التقاطعات في الصفيحة. عندما تقوم بتطبيق جهد على شريط الجرافين ، فإن بعض التيار فقط يتحرك في تدفق أومي صفحي يمكن التنبؤ به. أظهر البروفيسور ليونيد ليبيتوف من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا والبروفيسور جريجوري فالكوفيتش من معهد وايزمان للعلوم الإسرائيلي أن بعضًا منها يظهر مقاومة سلبية: فبدلاً من إبطاء الإلكترونات وتبديد طاقتها من خلال الحرارة كما هو الحال مع المقاوم الأومي ، تنحرف الإلكترونات وترتبط في دوامات صغيرة التي تتحرك عكس القطبية الكهربائية للنظام ، مثل سائل لزج.

اندريه جيم ، أستاذ فيزياء المادة المكثفة في جامعة مانشستر ، ركض مع هذه الفكرة وقام بقياس اللزوجة التي لوحظت في الدوامات. هو وفريقه 'اكتشفوا الدوامات التي تنبأت بها مجموعة ليفيتوف وأظهروا أن سائل الإلكترون في الجرافين أكثر لزوجة من العسل بمئة مرة ، على عكس الاعتقاد السائد بأن الإلكترونات تتصرف مثل الغاز'.



الشكل 1 - التبسيط الحالي والخريطة المحتملة للتدفقات اللزجة والأومية - من فيزياء الطبيعة

تؤدي الخصائص الكهروديناميكية للجرافين إلى تدفقات تيار لزج ، مما يؤدي إلى تكوين دوامات صغيرة تتسبب في انتقال الإلكترونات عكس القطبية الكهربائية. تُظهر الخطوط البيضاء خطوط الانسيابية الحالية ، وتُظهر الألوان إمكانات كهربائية ، وتُظهر الأسهم الخضراء اتجاه التيار ، للتدفقات اللزجة (اللوحة العلوية) والتدفقات العادية (الأومية ، اللوحة السفلية). الصورة: فيزياء الطبيعة

هذا البحث جديد جدًا لدرجة أننا لسنا متأكدين حتى الآن من كيفية تطبيق النتائج. أحد الآثار المحتملة هو أن نقل الحرارة مقترن بقوة بنقل الشحنة ، لذلك من المحتمل أن تكون هناك ظواهر التوصيل الحراري ذات الصلة التي سيتم الكشف عنها هنا. كما لوحظ في طبيعة، 'ينتج عن التدفق اللزج (الإلكترون) نمط تسخين شديد التعقيد مع وجود نقاط ساخنة شديدة بالقرب من جهات الاتصال وبقع باردة على شكل قوس في الدوامات محاطة بمناطق أكثر دفئًا.'

الشكل 3 - أنماط التسخين للتدفقات اللزجة والأومية - فيزياء الطبيعة

تظهر الأسهم البيضاء الاتجاه الحالي. يُظهر التدفق اللزج نمط تسخين شديد التعقيد. يُظهر التدفق الأومي (القاع) معدل إنتاج حراري غير مميز بشكل أساسي يتحلل بشكل رتيب بعيدًا عن جهات الاتصال. الصورة: فيزياء الطبيعة



تمثل هذه التجارب المرة الأولى التي تمكنا فيها من ملاحظة هذه التأثيرات المتوقعة منذ فترة طويلة لكيمياء الجرافين. علاوة على ذلك ، فإنها توفر نافذة على الآثار الكبيرة لفيزياء الكم. في حين أن التأثيرات الكمومية عادةً ما تكون غير مهمة على نطاقات أكبر من الجسيمات الفردية ، فإنها تلعب دورًا مهيمنًا في بيئة الجرافين ، كما يقول البروفيسور ليفيتوف عبر أخبار معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. في هذا الإعداد ، 'نظهر أن (الطريقة التي تتحرك بها حاملات الشحنة) لها سلوك جماعي مشابه للسوائل الأخرى شديدة التفاعل ، مثل الماء'. نظرًا لمدى صعوبة إنتاج الجرافين بكميات كبيرة ، فقد لا نعرف كيفية استخدامه حتى نتمكن من إنتاج ما يكفي لاستخدامه.

اقرأ الآنما هو الجرافين؟

المقالات الأصلية (كلاهما بنظام حظر الاشتراك غير المدفوع) موجودة علىhttp://dx.doi.org/doi:10.1126/science.aad0201 وhttp://dx.doi.org/doi:10.1038/nphys3667.

Copyright © كل الحقوق محفوظة | 2007es.com