Графен изменит мир - по крайней мере, нам так говорили.
С момента его открытия десять лет назад ученые и технические гуру приветствовали графен как удивительный материал, который может заменить кремний в электронике, повысить эффективность батарей, долговечность и проводимость сенсорных экранов и проложить путь к дешевым тепловым электроэнергия и многое другое.
Это один атом толщиной, прочнее стали, тверже алмаза и один из самых проводящих материалов на земле.
Но прежде чем графеновые продукты появятся на рынке, необходимо решить несколько проблем. Ученые до сих пор пытаются понять основы физики этого уникального материала. Кроме того, его очень сложно приготовить, а еще труднее сделать без примесей.
В новой статье, опубликованной в журнале Science, исследователи из Гарварда и компании Raytheon BBN Technology расширили наше понимание основных свойств графена, впервые наблюдая, как электроны в металле ведут себя как жидкость.
Чтобы сделать это наблюдение, команда усовершенствовала методы создания сверхчистого графена и разработала новый способ измерения его теплопроводности. Это исследование может привести к созданию новых термоэлектрических устройств, а также предоставить модельную систему для изучения экзотических явлений, таких как черные дыры и высокоэнергетическая плазма..
Электронная супермагистраль
В обычных трехмерных металлах электроны практически не взаимодействуют друг с другом. Но двумерная сотовая структура графена действует как электронная супермагистраль, по которой все частицы должны двигаться по одной и той же полосе. Электроны в графене действуют как безмассовые релятивистские объекты, некоторые из которых имеют положительный заряд, а некоторые - отрицательный. Они движутся с невероятной скоростью - 1/300 скорости света - и было предсказано, что они будут сталкиваться друг с другом десять триллионов раз в секунду при комнатной температуре. Такие интенсивные взаимодействия между заряженными частицами ранее никогда не наблюдались в обычном металле.
Команда создала сверхчистый образец, поместив лист графена толщиной в один атом между десятками слоев электрически изолирующего идеально прозрачного кристалла с атомной структурой, аналогичной графену.
«Если у вас есть материал толщиной в один атом, на него сильно повлияет окружающая среда», - сказал Джесси Кроссно, аспирант лаборатории Кима и первый автор статьи. «Если графен находится поверх чего-то грубого и неупорядоченного, он будет мешать движению электронов. Очень важно создать графен без вмешательства со стороны окружающей среды».
Техника была разработана Кимом и его сотрудниками в Колумбийском университете до того, как он перешел в Гарвард в 2014 году, и теперь усовершенствована в его лаборатории в SEAS.
Затем команда создала нечто вроде теплового супа из положительно заряженных и отрицательно заряженных частиц на поверхности графена и наблюдала, как эти частицы текут в виде тепловых и электрических токов.
То, что они наблюдали, противоречило всему, что они знали о металлах.
Черная дыра на чипе
Большая часть нашего мира - то, как течет вода (гидродинамика) или как изгибается кривая, - описывается классической физикой. Очень маленькие объекты, такие как электроны, описываются квантовой механикой, в то время как очень большие и очень быстрые объекты, такие как галактики, описываются релятивистской физикой, впервые созданной Альбертом Эйнштейном.
Комбинировать эти законы физики, как известно, сложно, но есть крайние примеры, когда они пересекаются. Высокоэнергетические системы, такие как сверхновые звезды и черные дыры, можно описать, связав классические теории гидродинамики с теориями относительности Эйнштейна.
Но сложно провести эксперимент с черной дырой. Введите графен.
Когда сильно взаимодействующие частицы в графене приводились в движение электрическим полем, они вели себя не как отдельные частицы, а как жидкость, которую можно описать гидродинамикой.
«Вместо того, чтобы наблюдать за тем, как электрическая или тепловая сила воздействует на одну частицу, мы могли видеть сохраняющуюся энергию, когда она текла через множество частиц, подобно волне в воде», - сказал Кроссно..
«Физические явления, которые мы обнаружили, изучая черные дыры и теорию струн, мы наблюдаем в графене», - сказал Эндрю Лукас, соавтор и аспирант Субира Сачдева, профессора физики Герчела Смита в Гарварде. «Это первая модель системы релятивистской гидродинамики в металле».
Двигаясь вперед, небольшой чип графена можно использовать для моделирования жидкостного поведения других высокоэнергетических систем.
Промышленные последствия
Итак, теперь мы знаем, что сильно взаимодействующие электроны в графене ведут себя как жидкость - как это продвигает промышленное применение графена?
Во-первых, чтобы наблюдать за гидродинамической системой, команде нужно было разработать точный способ измерения того, насколько хорошо электроны в системе переносят тепло. Это очень сложно сделать, сказал со-PI доктор Кин Чунг Фонг, ученый из Raytheon BBN Technology.
Материалы проводят тепло двумя способами: через колебания атомной структуры или решетки; и переносятся самими электронами.
«Нам нужно было найти умный способ игнорировать передачу тепла от решетки и сосредоточиться только на том, сколько тепла переносится электронами», - сказал Фонг.
Для этого команда обратилась к шуму. При конечной температуре электроны движутся хаотично: чем выше температура, тем шумнее электроны. Измерив температуру электронов с точностью до трех знаков после запятой, команда смогла точно измерить теплопроводность электронов.
«Преобразование тепловой энергии в электрический ток и наоборот с помощью обычных материалов, как известно, очень сложно», - сказал Лукас. «Но в принципе, с чистым образцом графена не может быть предела тому, насколько хорошее устройство вы можете сделать».