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Les électrons circulent comme un liquide

20.09.2017

Dans leurs dernières expériences, des scientifiques du Graphene Institute de l'Université de Manchester ont découvert les conditions dans lesquelles les électrons se déplaçant à travers le graphène se comportent de manière très inhabituelle. Ce mouvement spécifique des électrons permet aux scientifiques de mieux comprendre les processus physiques dans les matériaux électriquement conducteurs et, dans un avenir proche, ces mêmes processus pourront être utilisés pour développer des circuits nanoélectroniques pour des puces informatiques de nouvelle génération rapides et performantes.

Dans la plupart des métaux, la conductivité électrique est limitée par le nombre de défauts dans leur réseau cristallin, qui provoquent la dispersion des électrons, les frappant comme des boules de billard. Par conséquent, le graphène, en raison de sa structure "bidimensionnelle", conduit l'électricité bien mieux que n'importe quel métal. De plus, dans certains métaux purs et autres matériaux à structure cristalline ordonnée, dont le graphène, les électrons peuvent franchir des distances de l'ordre du micron sans se disperser en raison du mouvement dit balistique. Les paramètres d'un tel mouvement déterminent la conductivité électrique maximale possible du matériau, appelée limite fondamentale de Landauer.

Cependant, les données obtenues lors des expériences ont permis aux scientifiques de conclure que la loi qui détermine la limite fondamentale de Landauer n'est pas observée dans le milieu graphène sous certaines conditions. Et un mécanisme très inhabituel en est responsable, qui est directement lié au domaine relativement nouveau de la physique appelé hydrodynamique des électrons (hydrodynamique des électrons).

Le domaine de la dynamique des fluides électroniques est apparu l'année dernière après que des scientifiques de l'Université de Manchester et d'autres organisations scientifiques ont montré qu'à une certaine température d'un matériau, les électrons qui s'y déplacent commencent à entrer en collision les uns avec les autres si souvent que le flux d'électrons commence à s'écouler comme un écoulement liquide, n'ayant pas le plus petit coefficient de viscosité. Et dans de nouvelles recherches, les scientifiques ont montré que la présence de ce "e-liquide" visqueux confère au matériau une conductivité électrique supérieure au mouvement balistique des électrons.

Le phénomène découvert par les scientifiques est assez paradoxal. En effet, lors de collisions d'électrons, ceux-ci interagissent et se dispersent, ce qui, en théorie, devrait affaiblir la conductivité électrique du matériau. Mais l'augmentation de la conductivité du matériau est due au fait que les électrons sont divisés en deux parties conditionnelles, comme un courant d'eau qui coule dans une rivière. Les électrons qui se déplacent à proximité des bords du réseau cristallin perdent leur élan et ralentissent. Mais, en même temps, ils agissent comme une protection contre les collisions d'électrons se déplaçant au milieu du flux. Et ces électrons se déplacent déjà le long d'une trajectoire super-balistique à l'intérieur du "canal" créé par les électrons extrêmes.

"Nous savons par la physique scolaire que plus la structure d'un matériau est désordonnée, plus sa résistance électrique est élevée", déclare Sir Andrew Game, "Mais dans notre cas, le désordre causé par la diffusion due aux collisions d'électrons réduit, plutôt qu'augmente, la résistance électrique du matériau Dans ce cas, les électrons se mettent à circuler comme un liquide et la vitesse de ce liquide dépasse la vitesse des électrons de même énergie dans le vide.

Les scientifiques ont mené une série d'expériences dans lesquelles la conductivité du graphène a été mesurée à différentes températures. La comparaison de la conductivité du graphène pur et du graphène dopé, qui possède des propriétés conductrices métalliques claires, a permis aux scientifiques de calculer avec une grande précision une nouvelle grandeur physique appelée conductivité visqueuse. Et ce qui est le plus remarquable, les données expérimentales collectées coïncidaient pratiquement avec les données obtenues au cours des calculs des modèles mathématiques correspondants.

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Les os des pieds des anciens Chinois ont été comparés aux os correspondants des Américains modernes, des Indiens pieds nus de l'Amérique du Sud précolombienne et des os des Esquimaux préhistoriques, qui portaient toujours des chaussures à cause du climat froid.

La comparaison a montré que l'homme dont le squelette a été retrouvé dans la grotte utilisait une sorte de chaussures - peut-être juste des planches attachées au pied avec des sangles.

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