&bala; Física 18, 42
Uma variedade de orifícios em um materials 2D aumenta um efeito que melhora o fluxo de correntes elétricas.
Normalmente, a resistência elétrica surge porque os elétrons se movem através de uma dispersão do materials de impurezas, átomos vibratórios e os limites do materials. Mas, sob algumas condições, os elétrons podem fluir com facilidade excepcional, como um fluido comum, em um regime conhecido como transporte superballista. Agora, os pesquisadores projetaram uma versão pronunciada do efeito, cutucando uma variedade de orifícios em uma folha de materials atomicamente fina (1). Eles esperam que a descoberta facilite a produção de efeitos superballistas controlados que reduzirão os requisitos de energia dos dispositivos eletrônicos avançados.
Uma característica elementary do transporte superballista é que os elétrons se movem de maneira coordenada, evitando limites do materials, com elétrons próximos se movendo ao longo de trajetórias semelhantes, da mesma forma que as moléculas em um líquido do DO, diz Elena Díaz, da Universidade Complutense de Madri. Em um líquido como a água, as moléculas estão constantemente interagindo entre si e trocando energia de uma maneira que os mantém fluindo juntos e permite que fluam suavemente em torno de obstáculos. Os pesquisadores viram esse chamado regime hidrodinâmico de comportamento de elétrons em experimentos anteriores, como os de folhas de grafeno (carbono de camada única), onde foi observado movimento rodopiante de vórtices em fluidos reais (2). Mas o efeito seria mais fácil de estudar se fosse maior e mais simples de produzir.
Agora, Díaz e colegas geraram o mesmo regime de condução mais facilmente usando uma técnica que acreditam que permitirá que o fenômeno seja estudado com mais eficiência. Para aumentar as interações entre os elétrons, é necessário algum movimento não uniforme, como forçar suas trajetórias a se dobrar bruscamente e repetidamente, diz Díaz. Ela e seus colegas procuraram fazer isso criando um padrão de orifícios espaçados regularmente em uma folha de grafeno. Essa base de treliça antidota (“anti” porque os orifícios são a ausência de “pontos”) força os elétrons a seguir os caminhos curvos ao redor dos orifícios. “A geometria antidota é particularmente boa em dobrar o fluxo de elétrons”, além de ser relativamente fácil de fabricar, diz Díaz.
A equipe criou um dispositivo com três regiões distintas de orifícios de diâmetro diferente: 100, 200 e 300 nm. Em cada zona, medindo 3 × 4 µm, os orifícios foram dispostos em uma treliça quadrada com as separações de orifícios vizinhos iguais aos seus diâmetros. A equipe imprensou o grafeno dentro de camadas de nitreto de boro e depois aplicou uma tensão em cada zona, medindo a corrente resultante à medida que variam a temperatura.
O comportamento hidrodinâmico leva a uma diminuição na resistência elétrica com o aumento da temperatura, oposto à tendência dos metais tradicionais. A equipe mediu uma diminuição para todas as três treliças antidotas, com a maior diminuição observada para os orifícios de 100 nm de diâmetro. Essa diminuição foi maior do que em quaisquer experimentos anteriores no regime superballista, diz Díaz. Ela diz que esse efeito hidrodinâmico incomumente forte tornará mais fácil determinar as condições físicas – como a geometria de temperatura e dispositivo – que dão origem ao fluxo superballista. Os pesquisadores também realizaram simulações computadorizadas detalhadas de transporte de elétrons nos três treliças, encontrando uma boa concordância com os dados experimentais.
O físico teórico Thomas Scaffidi da Universidade da Califórnia, Irvine, está impressionado com os resultados. O comportamento hidrodinâmico “pode ter aplicações úteis para reduzir a resistência de contato em dispositivos pequenos, porque os elétrons agindo coletivamente como um fluido podem fluir em pequenas aberturas e em torno de obstáculos de maneira suave”, diz ele.
Em trabalhos futuros, Díaz e colegas visam investigar as condições nas quais o regime superballista surge em grafeno único e de bicamada, analisando o efeito da corrente, além da temperatura. À medida que o excesso de calor se torna um desafio crescente para os dispositivos eletrônicos, Díaz diz que o efeito superballista pode ajudar a reduzir a resistência de um circuito e, portanto, sua produção de calor, pelo menos a baixas temperaturas. “Em princípio”, diz ela, “o comportamento hidrodinâmico dos elétrons é uma ferramenta muito promissora a ser explorada na futura eletrônica 2D”.
–Mark Buchanan
Mark Buchanan é um escritor de ciências freelancers que divide seu tempo entre Abergavenny, Reino Unido, e Notre Dame de Courson, França.
Referências
- J. Estrada-álvarez et al.“Condução superballista em superlatícios hidrodinâmicos de grafeno antidoto”. Phys. Rev. x 15011039 (2025).
- ML Palm et al.“Observação de hidromassagem atual em grafeno à temperatura ambiente”. Ciência 384465 (2024).
