(Noticias de Nanowerk) Normalmente no querrás mezclar electricidad y agua, pero la electricidad, que se comporta como el agua, tiene el potencial de mejorar los dispositivos electrónicos. El trabajo reciente de los grupos del ingeniero de Columbia James Hone y el físico teórico Shaffique Adam de la Universidad Nacional de Singapur y Yale-NUS está construyendo una nueva comprensión de este comportamiento hidrodinámico inusual que está cambiando algunas viejas suposiciones sobre la física de los metales.
El estudio fue publicado en la revista avances científicos («Conductividad hidrodinámica activada por disipación en un semiconductor de banda prohibida sintonizable»).
En el trabajo, el equipo estudió el comportamiento de un nuevo semiconductor en el que los electrones con carga negativa y los «agujeros» con carga positiva conducen la electricidad al mismo tiempo. Descubrieron que esta corriente se puede describir con solo dos ecuaciones «hidrodinámicas»: una que describe cómo los electrones y los agujeros se deslizan entre sí, y una segunda cómo todas las cargas se mueven juntas a través de la red atómica del material.
«Las fórmulas simples generalmente significan física simple», dijo Hone, quien se sorprendió cuando el posdoctorado de Adam, Derek Ho, construyó el nuevo modelo, que desafía las suposiciones que muchos físicos aprenden sobre los metales al principio de su educación. «A todos nos enseñaron que en un metal normal, todo lo que tienes que hacer es saber cómo un electrón rebota en diferentes tipos de imperfecciones», dijo Hone. «En este sistema, los modelos básicos que conocimos en nuestros primeros cursos simplemente no se aplican».
En los cables de metal que transportan corriente, hay muchos electrones en movimiento que en gran medida se ignoran entre sí, como los pasajeros de un tren subterráneo lleno de gente. A medida que los electrones se mueven, inevitablemente encuentran defectos físicos en el material que los sostiene o vibraciones que hacen que se dispersen. La corriente se ralentiza y se pierde energía. Pero en materiales con menos electrones, esos electrones en realidad interactúan fuertemente entre sí y fluyen juntos, como el agua a través de una tubería. Todavía encuentran las mismas imperfecciones, pero su comportamiento es muy diferente: en lugar de pensar en electrones individuales dispersos al azar, ahora uno tiene que tratar el conjunto completo de electrones (y huecos) juntos, dijo Hone.
Para probar experimentalmente su nuevo modelo simple de conductividad hidrodinámica, el equipo estudió el grafeno bicapa, un material compuesto por dos capas atómicamente delgadas de carbono. El estudiante graduado de Hones, Cheng Tan, midió la conductividad eléctrica desde temperatura ambiente hasta casi el cero absoluto mientras variaba las densidades de electrones y huecos.
Tan y Ho encontraron una excelente concordancia entre el modelo y sus resultados. «Es sorprendente que los datos experimentales concuerden mucho mejor con la teoría hidrodinámica que con la vieja ‘teoría estándar’ de la conductividad», dijo Ho.
El modelo funcionó cuando el material se ajustó para permitir que la conductividad se activara y desactivara, y el comportamiento hidrodinámico fue excelente incluso a temperatura ambiente. «Es realmente notable que el grafeno bicapa se haya estudiado durante más de 15 años, pero hasta ahora no hemos entendido correctamente su conductividad a temperatura ambiente», dijo Hone, quien también es profesor de Wang Fong Jen y presidente de la Facultad de Ingeniería Mecánica. en Columbia Ingeniería.
La conductividad de baja resistencia a temperatura ambiente podría tener aplicaciones muy prácticas. Los materiales superconductores existentes que conducen la electricidad sin resistencia deben mantenerse increíblemente fríos. Los materiales capaces de flujo hidrodinámico podrían ayudar a los investigadores a construir dispositivos electrónicos más eficientes, conocidos como electrónica viscosa, que no requieren un enfriamiento tan intensivo y costoso.
En un nivel más fundamental, el equipo verificó que el movimiento deslizante entre electrones y huecos no es específico del grafeno, dijo Adam, profesor asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Singapur y la División de Ciencias de Yale-NUS. universidad Debido a que este movimiento relativo es universal, los investigadores también deberían poder encontrarlo en otros materiales, especialmente a medida que las técnicas de fabricación mejoradas producen muestras cada vez más limpias, en las que Hone Lab se ha centrado en desarrollar durante la última década. En el futuro, los investigadores también podrían diseñar geometrías específicas para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos creados para aprovechar este comportamiento colectivo único similar al del agua.
