Normalmente no desea 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 James Hone en Columbia y el físico teórico Shaffique Adam en la Universidad Nacional de Singapur y Yale-NUS construye una nueva comprensión de este comportamiento hidrodinámico inusual que cambia algunas suposiciones antiguas sobre la física de los metales. El estudio fue publicado el 15 de abril en la revista Science Advances .

En el trabajo, el equipo estudió el comportamiento de un nuevo semiconductor en el que los electrones cargados negativamente y los "agujeros" cargados positivamente transportan corriente simultáneamente. Descubrieron que esta corriente se puede describir con solo dos ecuaciones "hidrodinámicas":una que describe cómo los electrones y los huecos se deslizan entre sí, y una segunda que describe 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 realmente necesitas saber es cómo un electrón rebota en varios tipos de imperfecciones", dijo Hone. "En este sistema, los modelos básicos que aprendimos en nuestros primeros cursos simplemente no se aplican".

En los cables metálicos que transportan una corriente eléctrica, hay muchos electrones en movimiento que en gran medida se ignoran entre sí, como los pasajeros de un metro lleno de gente. A medida que los electrones se mueven, inevitablemente se encuentran con defectos físicos en el material que los transporta o con vibraciones que hacen que se dispersen. La corriente se ralentiza y se pierde energía. Pero, en los materiales que tienen una menor cantidad de electrones, esos electrones en realidad interactúan fuertemente entre sí y fluirán juntos, como el agua a través de una tubería. Siguen encontrando las mismas imperfecciones, pero su comportamiento es completamente diferente:en lugar de pensar en electrones individuales que se dispersan al azar, ahora tienes 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 hecho de dos láminas de carbono delgadas como un átomo. El doctorado de Hone el estudiante Cheng Tan midió la conductividad eléctrica desde temperatura ambiente hasta casi el cero absoluto mientras variaba la densidad de electrones y huecos. Tan y Ho encontraron una excelente coincidencia entre el modelo y sus resultados. "Es sorprendente que los datos experimentales concuerden mucho mejor con la teoría hidrodinámica que la vieja 'teoría estándar' sobre la conductividad", dijo Ho.

El modelo funcionó cuando el material se ajustó de una manera que permitía activar y desactivar la conductividad, y el comportamiento hidrodinámico fue prominente incluso a temperatura ambiente. "Es realmente notable que el grafeno bicapa se haya estudiado durante más de 15 años, pero hasta ahora no entendíamos correctamente su conductividad a temperatura ambiente", dijo Hone, quien también es profesor Wang Fong-Jen y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica. en Ingeniería de Columbia.

La conductividad a temperatura ambiente de baja resistencia podría tener aplicaciones muy prácticas. Los materiales superconductores existentes, que conducen la electricidad sin resistencia, deben mantenerse increíblemente fríos. Los materiales capaces de fluir hidrodinámicamente podrían ayudar a los investigadores a construir dispositivos electrónicos más eficientes, conocidos como electrónica viscosa, que no requieren un enfriamiento tan intenso 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 del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la Universidad Nacional de Singapur y la División de Ciencias de Yale. -Colegio NUS. Debido a que este movimiento relativo es universal, los investigadores deberían poder encontrarlo en otros materiales, especialmente a medida que la mejora de las técnicas de fabricación continúa produciendo 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. + Explora más

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