Uma exceção à Lei de Ohm? O grafeno faz os elétrons agirem como um líquido viscoso com 'resistência negativa'

Os opostos se atraem. É uma das regras fundamentais que explicam por que a eletricidade e o magnetismo fazem o que fazem. Os ímãs e a carga têm dois “sabores” que chamamos de pólos, como cargas repelidas, e a polaridade elétrica do sistema determina para que lado a corrente fluirá. Exceto - aparentemente o grafeno coloca um asterisco após as equações de Maxwell.

Duas equipes de físicos acabaram de encontrar evidências de que o grafeno faz os elétrons agirem menos como portadores de carga que se movem a velocidades relativísticas e mais como um líquido viscoso, fluindo contra a corrente elétrica em redemoinhos e redemoinhos como aqueles na beira de um rio. Essa propriedade faz com que os elétrons fluam contra a polaridade elétrica em um fenômeno que os físicos estão chamando de 'resistência negativa', e como Física da Natureza e Ciência relatório, finalmente vimos isso acontecer em temperatura ambiente.



Resistência negativa

O grafeno tem uma seção transversal estranha de propriedades eletromagnéticas, incluindo alta condutância e baixa resistência, como metais. Ao contrário de um metal, porém, o grafeno faz algumas coisas realmente bizarras com os elétrons que passam por ele. Quando você passa a corrente por um fio, ela se move principalmente em um fluxo laminar suave, de uma forma que geralmente chamamos de 'balística'. Imperfeições no material são a força de deflexão dominante, introduzindo turbulência no sistema, e isso é um efeito menor.



Achamos que o grafeno agia da mesma maneira, com as únicas deflexões de elétrons ocorrendo nas junções da folha. Quando você aplica uma voltagem a uma fita de grafeno, porém, apenas parte da corrente se move em um fluxo óhmico laminar previsível. O professor Leonid Lebitov do MIT e o professor Gregory Falkovich do Instituto de Ciência Weizmann de Israel demonstraram que parte dela exibe resistência negativa: em vez de desacelerar os elétrons e dissipar sua energia através do calor como com um resistor ôhmico, os elétrons são desviados e ligados em pequenos redemoinhos que se movem contra a polaridade elétrica do sistema, como um líquido viscoso.

Andre Geim, professor de física da matéria condensada na Universidade de Manchester, correu com essa ideia e mediu a viscosidade observada nos redemoinhos. Ele e sua equipe 'detectaram os vórtices previstos pelo grupo de Levitov e mostraram que o líquido do elétron no grafeno era 100 vezes mais viscoso do que o mel, ao contrário da crença universal de que os elétrons se comportam como um gás.'



Fig 1 - Linhas atuais e mapa potencial para fluxos viscosos e ôhmicos - da Nature Physics

As propriedades eletrodinâmicas do grafeno levam a fluxos de corrente viscosos, criando minúsculos redemoinhos que fazem os elétrons viajarem contra a polaridade elétrica. As linhas brancas mostram as linhas de corrente da corrente, as cores mostram o potencial elétrico e as setas verdes mostram a direção da corrente, para fluxos viscosos (painel superior) e normais (ôhmico, painel inferior). Imagem: Nature Physics

Esta pesquisa é tão nova que não temos certeza de como aplicar os resultados ainda. Uma das implicações potenciais é que a transferência de calor está fortemente acoplada à transferência de carga, então provavelmente haverá fenômenos de condutância térmica relacionados a serem descobertos aqui. Conforme observado em Natureza, “O fluxo viscoso (elétron) resulta em um padrão de aquecimento altamente complexo com pontos quentes intensos próximos aos contatos e manchas frias em forma de arco em vórtices cercados por regiões mais quentes.”

Fig 3 - padrões de aquecimento para fluxos viscosos e ôhmicos - Nature Physics

As setas brancas mostram a direção atual. O fluxo viscoso mostra um padrão de aquecimento altamente complexo. O fluxo ôhmico (parte inferior) mostra uma taxa de produção de calor essencialmente sem características, decaindo monotonamente longe dos contatos. Imagem: Nature Physics



Esses experimentos marcam a primeira vez que fomos capazes de observar diretamente esses efeitos há muito previstos da química do grafeno. Além disso, eles oferecem uma janela para as implicações em macroescala da física quântica. Embora os efeitos quânticos sejam normalmente insignificantes em escalas maiores do que as partículas individuais, no ambiente de grafeno eles desempenham um papel dominante, diz o professor Levitov via Notícias do MIT. Neste cenário, 'mostramos que (a maneira como os portadores de carga se movem) tem um comportamento coletivo semelhante a outros fluidos de forte interação, como a água'. Dado como o grafeno ainda é difícil de produzir em quantidade, no entanto, pode ser que não saibamos como usá-lo até que possamos fazer o suficiente para usar.

Agora lêO que é grafeno?

Os artigos originais (ambos com acesso pago) estão emhttp://dx.doi.org/doi:10.1126/science.aad0201 ehttp://dx.doi.org/doi:10.1038/nphys3667.

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