อิเล็กตรอนสามารถทำตัวเหมือนของเหลวหนืดเมื่อเคลื่อนที่ผ่านวัสดุนำไฟฟ้า ทำให้เกิดรูปแบบเชิงพื้นที่ที่คล้ายกับน้ำที่ไหลผ่านท่อ ดังนั้น นักวิจัยในอิสราเอลและสหราชอาณาจักรที่ประสบความสำเร็จในการถ่ายภาพรูปแบบการไหลของอุทกพลศาสตร์นี้เป็นครั้งแรกโดยใช้เทคนิคโพรบสแกนแบบใหม่ กล่าว ผลลัพธ์ที่ได้จะช่วยนักพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์ที่ใช้วัสดุ 2 มิติ
ซึ่งอุทกพลศาสตร์ของอิเล็กตรอนมีความสำคัญ
เราทุกคนต่างคุ้นเคยกับลวดลายอันโดดเด่นที่เกิดจากน้ำที่ไหลในแม่น้ำหรือลำธาร เมื่อน้ำเจอสิ่งกีดขวาง เช่น ฝั่งแม่น้ำหรือเรือ รูปแบบจะเปลี่ยนไป เช่นเดียวกันควรเป็นจริงสำหรับการไหลของอิเล็กตรอนในของแข็งหากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอิเล็กตรอนมีความแข็งแรง สิ่งนี้ไม่ค่อยเกิดขึ้นภายใต้สภาวะปกติ เนื่องจากอิเล็กตรอนมักจะชนกับข้อบกพร่องและสิ่งสกปรกในวัสดุที่พวกมันเดินทางผ่าน มากกว่าที่จะชนกัน
ทำให้อิเลคตรอนอุทกพลศาสตร์ในทางกลับกัน ถ้าวัสดุถูกทำให้สะอาดมากและทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิต่ำ อิเล็กตรอนควรเดินทางข้ามไปโดยไม่ถูกรบกวนจนกว่าจะชนกับขอบและผนังของวัสดุ การขนส่งแบบ ballistic ที่เกิดขึ้นทำให้อิเล็กตรอนสามารถไหลด้วยการกระจายกระแสที่สม่ำเสมอ เนื่องจากพวกมันเคลื่อนที่ในอัตราเดียวกันใกล้กับผนังที่ศูนย์กลางของวัสดุ
ถ้าอุณหภูมิของสารนี้เพิ่มขึ้น อิเล็กตรอนจะเริ่มมีปฏิสัมพันธ์กัน โดยหลักการแล้วพวกมันจะกระจัดกระจายกันบ่อยกว่าชนกับกำแพง ในระบอบอุทกพลศาสตร์ที่มีปฏิสัมพันธ์สูงนี้ อิเล็กตรอนควรไหลเร็วขึ้นใกล้ศูนย์กลางของช่องและช้าลงใกล้ผนัง – แบบเดียวกับที่น้ำทำงานเมื่อไหลผ่านท่อ
วัสดุ 2D ที่สะอาดอย่างยิ่ง
ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้สร้างตัวอย่างที่สะอาดอย่างยิ่งจากวัสดุ 2 มิติ เช่น กราฟีน เพื่อทำหน้าที่เป็นเตียงทดสอบสำหรับการศึกษาอุทกพลศาสตร์ของอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม งานนี้ส่วนใหญ่เกี่ยวข้องกับการวัดการขนส่งอิเล็กตรอน ซึ่งจะตรวจสอบเฉพาะฟิสิกส์ของอิเล็กตรอนที่ตำแหน่งคงที่ตลอดปริมณฑลของอุปกรณ์
“ในทางกลับกัน อุทกพลศาสตร์ทำให้นึกถึงภาพไดนามิกของอิเล็กตรอนที่หมุนวนไปรอบๆ ด้วยรูปแบบเชิงพื้นที่ที่น่าสนใจ” โจเซฟ ซั ลพิซิ โอ ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้เขียนนำของการศึกษาครั้งใหม่นี้กล่าว “รูปแบบดังกล่าวได้รับการทำนายในทางทฤษฎี แต่ไม่เคยสร้างภาพเชิงพื้นที่”
โปรไฟล์ปัจจุบันของ PoiseuilleSulpizio และนักวิจัยคนอื่นๆ นำShahal Ilaniที่สถาบันวิทยาศาสตร์ Weizmann ของอิสราเอล ร่วมกับ กลุ่ม Andre Geimที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ได้ถ่ายภาพรูปแบบเชิงพื้นที่ขั้นพื้นฐานที่สุดของการไหลของอิเล็กตรอนแบบอุทกพลศาสตร์เป็นครั้งแรก พวกเขาได้รับโปรไฟล์ปัจจุบันพาราโบลาหรือ Poiseuille โดยการศึกษาอิเล็กตรอนที่เดินทางผ่านช่องกราฟีนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าซึ่งประกบระหว่างชั้นโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยมสองชั้นที่ติดตั้งหน้าสัมผัสทางไฟฟ้า
ภายใต้สนามไฟฟ้าที่ใช้ อิเล็กตรอน
จะสร้างแรงดันไล่ระดับไปตามทิศทางการไหลของกระแส น่าเสียดายที่การไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าในพื้นที่นี้เหมือนกันสำหรับทั้งการไหลของอิเลคตรอนแบบอุทกพลศาสตร์และแบบขีปนาวุธ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้แยกแยะระหว่างสองระบอบนี้ได้ Ilani และเพื่อนร่วมงานเอาชนะปัญหานี้ด้วยการใช้สนามแม่เหล็กอ่อนกับตัวอย่าง ซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าอีกแบบหนึ่ง ซึ่งก็คือแรงดันฮอลล์ ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางของกระแสไฟ ความลาดชันของแรงดันไฟฟ้านี้แตกต่างกันมากสำหรับการไหลของอุทกพลศาสตร์และการไหลแบบขีปนาวุธ
นักวิจัยได้ถ่ายภาพโปรไฟล์แรงดันไฟฟ้าของฮอลล์สำหรับระบบการไหลทั้งสองแบบโดยใช้หัววัดการสแกนที่เพิ่งพัฒนาขึ้นในห้องปฏิบัติการของพวกเขา อุปกรณ์ที่ใช้ทรานซิสเตอร์อิเล็กตรอนแบบอิเล็กตรอนเดี่ยวคาร์บอนนาโนทิวบ์ที่มีความสะอาดสูงนี้ถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิการแช่แข็งและมีความไวต่อสนามไฟฟ้าสถิตในท้องถิ่นอย่างมาก กระแสที่ไหลผ่านจึงบ่งบอกถึงศักยภาพในท้องถิ่นของตัวอย่างและการไล่ระดับแรงดันไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับแรงดันฮอลล์
โดยการวัดกระแสนี้ ทีมงานยังสามารถสังเกตการเปลี่ยนแปลงระหว่างระบอบการปกครองที่การกระเจิงของอิเล็กตรอน – อิเล็กตรอนและที่อิเล็กตรอนไหลแบบ ballistically “อย่างที่คาดไว้ เราสังเกตโปรไฟล์สนามฮอลล์แบนๆ ผ่านช่องกราฟีนที่อุณหภูมิต่ำ” ซัลพิซิโอบอกกับPhysics World “อย่างไรก็ตาม เมื่อได้รับความร้อน โปรไฟล์จะกลายเป็นพาราโบลาอย่างรุนแรง โดยเผยให้เห็นกระแสไฟน้อยกว่าใกล้ผนังและใกล้จุดศูนย์กลางมากขึ้น ซึ่งบ่งชี้ถึงการเปลี่ยนไปใช้กระแสอุทกพลศาสตร์/Poiseuille”
กราฟีนมุมมายากลเผยให้เห็นรัฐใหม่นัยต่อการพัฒนาอุปกรณ์เขากล่าวถึงความหมายของงานซึ่งได้รับการตีพิมพ์ในNatureเป็นจำนวนมาก อุทกพลศาสตร์ของอิเล็กตรอนจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูงเท่านั้น (ตรงกันข้ามกับปรากฏการณ์ทางอิเล็กทรอนิกส์ประเภทอื่นๆ ที่มีอยู่ที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น) และสิ่งนี้จะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เทคโนโลยี เช่น ชิปคอมพิวเตอร์ที่ทำงานที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ยังจะมีความเกี่ยวข้องในโครงสร้าง heterostructure 2D van der Waals เช่นเดียวกับที่ทำจากกราฟีน และโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพวกมันสะอาดมาก พฤติกรรมนี้มีแนวโน้มที่จะมีบทบาทสำคัญในอุปกรณ์รุ่นใหม่ที่ทำจากวัสดุเหล่านี้
“เมื่อมองไปข้างหน้า วันหนึ่งอาจเป็นไปได้ด้วยซ้ำที่จะออกแบบอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่โดยพื้นฐานที่ใช้ประโยชน์จากอุทกพลศาสตร์ของอิเล็กตรอนโดยตรง” Sulpizio กล่าว “เมื่ออิเล็กตรอนมีปฏิสัมพันธ์กับอุทกพลศาสตร์ ความหนืดของพวกมันจะส่งผลให้เกิดรูปแบบการไหลเชิงพื้นที่ที่ไม่อยู่ในพื้นที่สูงซึ่งอาจเป็นประโยชน์ทางเทคโนโลยี”
Credit : affairedsk.com africaieri.org aianattackthesystem.com airase.org alliancepetroleum.net
