اثر هال در گرافن چسبناک می‌شود

 

 

 
اعتبار: AlexanderAlUS / ویکیپدیا / CC BY-SA 3.0

محققان دانشگاه منچستر در بریتانیا کشف کردند که اثر هال، که پدیده ای است که بیش از یک قرن است که شناخته شده است، دیگر آن چنان که تصور می شد اعتبار همه جانبه ندارد.
 
در این مقاله پژوهشی که در مجله ساینس منتشر شده است، گروهی تحت هدایت پروفسور سر آندره ژیم و دکتر دنیس باندورین دریافتند که اثر هال در صورتی که الکترون ها به شدت با یکدیگر در ارتباط باشند و موجب ایجاد جریان چسبناک شوند حتی می تواند به طور قابل توجهی ضعیف تر باشد. پدیده جدید در دمای اتاق اهمیت دارد - چیزی که در هنگام ساخت دستگاه های الکترونیکی یا اپتو الکترونیکی می تواند پیامدهای مهمی در بر داشته باشد. ورق کربن یک ماده بسیار تمیز است که تنها شامل چند نقص، ناخالصی و فونون ها (ارتعاشات شبکه ی کریستال القا شده توسط درجه حرارت) می شود به طوری که تعامل الکترون - الکترون به منبع اصلی پراکندگی تبدیل می شود که منجر به جریان الکتریکی چسبنده می شود.
 
درست مانند مولکول ها در گاز ها و مایعات، الکترونها در مواد جامد اغلب با یکدیگر برخورد می کنند و بنابراین می توانند مانند مایعاتِ چسبناک رفتار کنند. چنین سیالات الکترونی‌ای، ایده آل هستند برای یافتن رفتارهای جدیدی از مواد که در آنها کنشهای متقابل الکترون – الکترون به ویژه بسیار قوی هستند. مشکل این است که اکثر مواد به ندرت به اندازه کافی خالص هستند تا الکترونها بتوانند وارد رژیم چسبناک شوند. این به این دلیل است که آنها حاوی بسیاری از ناخالصی هایی هستند که الکترونها می توانند قبل از اینکه بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و جریان چسبناک را سازماندهی کنند، پراکنده شوند.
 
گرافن می تواند در اینجا بسیار مفید باشد: ورق کربن یک ماده بسیار تمیز است که تنها شامل چند نقص، ناخالصی و فونون ها (ارتعاشات شبکه ی کریستال القا شده توسط درجه حرارت) می شود به طوری که تعامل الکترون - الکترون به منبع اصلی پراکندگی تبدیل می شود که منجر به جریان الکتریکی چسبنده می شود.
 
دکتر باندورین گفت: "در کار قبلی، گروه ما دریافت که جریان الکترون در گرافن می تواند چسبندگی‌ای به بزرگی 0.1 m2s-1 داشته باشد که 100 برابر بیشتر از چسبندگی عسل است." "در این اولین نمایش هیدرودینامیک الکترون، ما پدیده های بسیار غیر معمولی‌ای مانند مقاومت منفی، گرداب های الکترونی و جریان فوق العاده ای را کشف کردیم. "
 
حتی زمانی که در رژیم غلیظ، یک میدان مغناطیسی روی الکترونها گرافن اعمال می شود، اثرات غیر معمول بیشتری اتفاق می افتد. نظریه پردازان در حال حاضر به طور گسترده ای در مورد نظریه الکترو مغناطیسی و هیدرودینامیکی به دلیل ارتباط آن با پلاسما در راکتورهای هسته ای و ستاره های نوترونی و همچنین مکانیک سیالات به طور کلی مطالعه کرده اند. اما هیچ سیستم تجربی عملی‌ای که در آن آزمون های آن پیش بینی ها (مانند مقاومت مغناطیسی منفی بزرگ و مقاومت غیرمسلح هال) تست شود تا کنون قابل دسترسی نبوده است.
 
در آخرین آزمایشات خود، محققان منچستر دستگاه های گرافن را با بسیاری از پروب های ولتاژ کار گذاشته در فاصله های مختلف از مسیر جریان برق، ساخته‌اند. بعضی از آنها به فاصله کمتر از یک میکرون از یکدیگر بودند. Geim و همکارانش نشان دادند که در حالی که اثر هال در صورتی که در فاصله های بزرگ از مسیر جریان اندازه گیری شود کاملاً نرمال است، در صورتی که با استفاده از تماسهای نزدیک با انژکتور جریان به طور موضعی کاوش شود بزرگی آن به سرعت کاهش می‌یابد. در حالی که اثر هال در صورتی که در فاصله های بزرگ از مسیر جریان اندازه گیری شود کاملاً نرمال است، در صورتی که با استفاده از تماسهای نزدیک با انژکتور جریان به طور موضعی کاوش شود بزرگی آن به سرعت کاهش می‌یابد.

 
آلکس Berdyugin، Ph.D.، دانشجویی که کار آزمایشی را هدایت کرد، می گوید: "این رفتار کاملا متفاوت از فیزیک کتاب های استاندارد است." "ما مشاهده می‌کنیم که اگر تماس های ولتاژ از تماس های جریان دور باشند، به جای این " اثر هال چسبناک " اثر هال قدیمی و خسته کننده را اندازه می گیریم. اما اگر پروب های ولتاژ را در نزدیکی نقاط تزریق جریان – یعنی نواحی ای که در آن چسبندگی به گونه ای نمایشی مانند گردابهایی در جریان الکترونی جلوه نمایی می کند – قرار دهیم آنگاه در می یابیم که اثر هال کاهش می یابد.
 
Berdyugin می گوید: "تغییرات کیفی جریان الکتریکی ناشی از ویسکوزیته اگر دستگاه های گرافن کوچکتر از یک میکرون در اندازه باشند حتی در دمای اتاق نیز باقی می ماند. " Berdyugin می گوید: "از آنجا که این اندازه امروزه تا آنجا که به دستگاه های الکترونیکی مربوط می شود روتین شده است، مطالعه اثرات چسبنده هنگام ساخت یا مطالعه دستگاه های گرافن مهم است. "
 

اعتبار: دامنه عمومی CC0

 محققان دانشگاه منچستر در بریتانیا، به رهبری دکتر آرتم میشچنکو، پروفسور ولودیا فالکو و پروفسور آندره ژیم، اثر هال کوانتومی را در گرافیت فله ای - یک کریستال لایه ای که شامل لایه های گرافنی انباشته شده است - تشکیل داده اند. این یک نتیجه غیر منتظره است، زیرا وقوع اثر هال کوانتومی تنها در سیستم های به اصطلاح دو بعدی (2-D) امکان پذیر است که حرکت الکترون ها به یک صفحه محدود می شود و باید در جهت عمود بر آن نادیده گرفته شود. آنها همچنین دریافتند که مواد به صورت متفاوتی رفتار می کنند که بستگی به این دارد که آیا شامل تعداد لایه های گرافن فرد یا زوج هستند حتی وقتی که تعداد لایه ها در کریستال از صدها متجاوز شود. این کار گام مهمی در درک خواص بنیادین گرافیت است که اغلب در سال های اخیر به اشتباه درک شده است.
 
در کار خود، منتشر شده در مجله فیزیک طبیعت، میشچنکو و همکارانش، دستگاههای ساخته شده از بلورهای گرافیت شکسته را مطالعه کردند که اساسا حاوی نقایصی نیستند. محققین کیفیت بالای مواد را همچنین به وسیله در کپسول نهادن آن در یک ماده لایه ای کیفیت بالای دیگر – که نیترید بورون هگزاگونال است – حفظ کردند. آنها دستگاه های خود را در هندسه نوار هال شکل دادند، که به آنها اجازه می داد انتقال الکترون در گرافیت نازک را اندازه گیری کنند.
 
دکتر جون یین، نویسنده اول این مقاله توضیح می دهد: "اندازه گیری بسیار ساده بود." "ما یک جریان کوچک را در امتداد نوار هال گذراندیم، یک میدان مغناطیسی قوی را عمود بر سطح نوار اعمال کردیم و سپس ولتاژهای تولید شده در داخل و از طریق دستگاه را برای استخراج مقاومت طولی و مقاومت در برابر هال اندازه گرفتیم."
Fal'ko، که بخش نظریه را رهبری کرد، گفت: "ما کاملا شگفت زده شدیم، وقتی که به طور موفقیت آمیزی شاهد اثر کوانتومی هال (QHE) شدیم."
 
برگرفته از سایت phys.org

مترجم: حمید وثیق زاده انصاری