Investigadores exploran semiconductores hidrodinámicos donde los electrones fluyen como el agua

(Noticias de NanwerkNormalmente 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 del grupo del ingeniero James Hoon en la Universidad de Columbia, el físico teórico Shafiq Adam en la Universidad Nacional de Singapur y Yale-NUS construye una nueva comprensión de este comportamiento hidrodinámico inusual que está cambiando algunas viejas suposiciones sobre la física mineral.

El estudio fue publicado en la revista progreso de la ciencia (Conducción hidrodinámica habilitada 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 cargados negativamente y los «agujeros» cargados positivamente transportan corriente al mismo tiempo. Descubrieron que esta corriente puede describirse mediante solo dos ecuaciones «hidrodinámicas»: una que describe cómo los electrones y los huecos se deslizan entre sí, y una segunda que muestra cómo todas las cargas se mueven juntas a través de la red atómica de la materia. En los nuevos semiconductores, los electrones pueden fluir como el agua alrededor de las obstrucciones. Este comportamiento hidrodinámico podría resultar en dispositivos más eficientes. (Foto: Rina Goh, Universidad Nacional de Singapur)

“Las fórmulas simples generalmente significan física simple”, dijo Hon, y se sorprendió cuando el postdoctorado de Adam, Derek Ho, construyó el nuevo modelo, que desafía las suposiciones que muchos físicos aprenden sobre los minerales al principio de su educación. «Todos hemos aprendido que en el metal ordinario, todo lo que realmente necesitas saber es cómo el electrón rebota en diferentes tipos de defectos», dijo Hon. «En este sistema, los modelos básicos que aprendimos en nuestros primeros ciclos 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 abarrotado. Cuando los electrones se mueven, inevitablemente chocan con defectos físicos en el material que transportan o con vibraciones que hacen que se dispersen. La corriente se ralentiza y se pierde energía. Pero en materiales con menos electrones, estos electrones interactúan fuertemente entre sí y fluirán juntos, como el agua a través de un tubo. Todavía encuentran las mismas fallas, dijo Hon, pero su comportamiento es muy diferente: en lugar de pensar en electrones individuales que se dispersan al azar, ahora tienes que abordar el grupo completo de electrones (y agujeros) juntos.

Para probar experimentalmente su nuevo modelo simple de conducción hidrodinámica, el equipo estudió una bicapa grafeno Un material hecho de dos láminas de carbono. Cheng Tan, estudiante de doctorado en la Universidad de Hon, midió la conductividad eléctrica desde temperatura ambiente hasta casi el cero absoluto mientras cambiaba la densidad de electrones y huecos.

Tan y Ho encontraron una excelente coincidencia entre el modelo y sus resultados. «Sorprendentemente, los datos experimentales concuerdan mejor con la teoría hidrodinámica que con la antigua ‘teoría estándar’ sobre la conductividad», dijo Hu.

El modelo funcionó cuando el material se ajustó de tal manera que permitía activar y desactivar la conducción, y el comportamiento hidrodinámico fue prominente incluso a temperatura ambiente. «Es realmente genial que el grafeno bicapa se haya estudiado durante más de 15 años, pero hasta ahora no hemos entendido correctamente la conductividad a temperatura ambiente», dijo Hoon, quien también es profesor Wang Fung Jin y presidente del Departamento de Ingeniería Mecánica. en Ingeniería Colombia.

La baja conductividad resistiva y la temperatura ambiente pueden tener aplicaciones muy prácticas. Los materiales superconductores actuales, 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 viscoelástica, que no requieren un enfriamiento tan extenso 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 del Departamento de Ciencias de la Universidad de Yale. . Colegio NUS. Debido a que este movimiento relativista es global, los investigadores deberían poder encontrarlo en otros materiales, particularmente a medida que las técnicas de fabricación mejoradas continúan produciendo muestras más limpias, que Hone Lab se ha centrado en desarrollar durante la última década. En el futuro, los investigadores también pueden diseñar geometrías específicas para mejorar aún más el rendimiento de los dispositivos diseñados para aprovechar este comportamiento colectivo único similar al del agua.