Fononit, kvanttipiste ja grafeeni

Tutkijat ovat havainneet, että materiaalin - erityisesti hiilinanoputkien tai grafeenin - yli virtaava vesi voi synnyttää niissä sähkövirtoja. Vaikutus ilmenee hiilimateriaaleissa, koska pinnat ovat atomisesti tasaisiaja mahdollistavat siten nesteen virtauksen suurelta osin esteettömästi nesteen ja kiinteän aineen rajalla, selittää Alessandro Siria École Normale Supérieuresta Ranskasta.

Useita malleja on ehdotettu selittämään virtauksen aiheuttamia varausvirtoja, joihin liittyy usein nesteen sisällä olevia varauksia, jotka vaikuttavat kiinteän aineen elektroneihin. Kokeellinen epävarmuus on kuitenkin estänyt tutkijoita määrittämästä, mikä malli on paras.

Ongelman ratkaisemiseksi Siria ja hänen kollegansa suunnittelivat kokeen, jossa yksi nestepisara vedetään grafeenipinnan poikki. Toisessa testissä tutkijat havaitsivat, että grafeeninäytteissä, joissa oli ryppyjä, mitattiin enemmän virtaa kuin näytteissä, joissa ei ollut ryppyjä.

Tämän käyttäytymisen selittämiseksi ryhmä kehitti mikroskooppisen mallin, joka sisälsi nestemolekyylien vaikutuksen törmäyksiin kiinteän pinnan kanssa ja synnyttäen virtauksen suuntaan liikkuvia fononeja eli kiteen värähtelyenergian kvantteja.

Löydökset voivat auttaa kehittämään sovelluksia, jotka perustuvat virtauksen aiheuttamiin sähkövirtoihin. Esimerkiksi useat tutkimusryhmät työskentelevät energiankeräyslaitteiden parissa, jotka voisivat muuntaa nestevirrat – kuten katon pintaa alas vierivät sadepisarat – sähkövirroiksi.

Grafeenissa olevat kvanttipisteet näyttävät lupaavilta uusina magneettikenttäantureina, toteavat Kalifornia Santa Cruzin tutkijat.

Uuden tutkimuksen mukaan pyöreissä silmukoissa äärimmäisillä nopeuksilla grafeenikvanttipisteiden sisällä kulkevat loukkuun jääneet elektronit ovat erittäin herkkiä ulkoisille magneettikentille, ja niitä voitaisiin käyttää uusina magneettikenttäantureina, joilla on ainutlaatuiset ominaisuudet.

Grafeenissa olevat elektronit käyttäytyvät ikään kuin ne olisivat massattomia, kuten fotonit, jotka ovat massattomia valon hiukkasia. Kun tällaiset elektronit on rajoitettu kvanttipisteeseen, ne kulkevat suurella nopeudella ympyrämäisissä silmukoissa pisteen reunan ympärillä.

"Nämä virtasilmukat luovat magneettisia momentteja, jotka ovat erittäin herkkiä ulkoisille magneettikentille", selittää Jairo Velasco Jr., UC Santa Cruzin fysiikan apulaisprofessori. "Näiden virtasilmukoiden herkkyys johtuu siitä tosiasiasta, että grafeenielektronit ovat erittäin relativistisia ja kulkevat suurella nopeudella."

Myös lisäsovellukset ovat mahdollisia, kertoo UCSC:n fysiikan jatko-opiskelija Zhehao Ge. "Työmme tulokset osoittavat myös, että grafeenikvanttipisteet voivat mahdollisesti isännöidä jättimäistä jatkuvaa virtaa (jatkuva sähkövirta ilman ulkoista virtalähdettä) pienessä magneettikentässä", Ge sanoi. "Tällaista virtaa voidaan mahdollisesti käyttää kvanttisimulaatioon ja kvanttilaskentaan."

Aiheesta aiemmin:

Pinta-aallot nanorakenteita viilentämään

Sähköä ruosteen avulla

Elektronit kulkevatkin nopeammin