Viskeuze elektronica: Vloeistofachtige elektronen ontsluiten nieuwe technische mogelijkheden

In de natuurkundeles op de middelbare school leerden we dat het aansluiten van een kabel op een elektrisch circuit een stroom elektronen op gang brengt, die alles van stroom voorziet, van onze lampen tot onze telefoons. Traditioneel hebben we via dit eenvoudige model begrepen hoe elektronen zich in metalen en halfgeleiders gedragen: elektronen worden voorgesteld als kleine, onafhankelijke deeltjes, net als auto’s op een open snelweg: ze bewegen allemaal vrij, zonder veel interactie met de anderen.

Het is een eenvoudig perspectief dat al vele jaren de basis vormt van de elektronica en ons helpt de elektronische apparaten te begrijpen en te ontwerpen die ten grondslag liggen aan een groot deel van het moderne leven.

Deze traditionele opvatting schiet echter tekort in het geval van sommige opkomende kwantummaterialen, zoals het ultradunne en zeer geleidende materiaal grafeen. In deze materialen gedragen elektronen zich niet als individuele auto’s op de snelweg, maar werken ze samen op een manier die lijkt op een stroperige vloeistof zoals olie. Deze bevinding zou transformatief kunnen zijn voor de toekomstige ontwikkeling van een breed scala aan technologieën.

Assistent-professor Denis Bandurin en zijn team, afkomstig van de afdeling Materials Science and Engineering van het College of Design and Engineering van de National University of Singapore, onderzoeken hoe kwantummaterialen interageren met elektromagnetische straling op nanoschaal om nieuwe wetenschappelijke fenomenen te ontdekken en hun potentiële gebruik bij de ontwikkeling van toekomstige technologieën.

Uit een recent onderzoek, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologierapporteerde het team dat wanneer grafeen wordt blootgesteld aan elektromagnetische straling met terahertz-frequenties, de elektronenvloeistof opwarmt en de viscositeit ervan drastisch wordt verlaagd, wat resulteert in een lagere elektrische weerstand – net zoals olie, honing en andere stroperige vloeistoffen gemakkelijker stromen als ze worden verwarmd. op een fornuis.

De grenzen van de detectie van THz-golven verleggen

Terahertz (THz)-golven vormen een speciaal en technologisch uitdagend onderdeel van het elektromagnetische spectrum – gelegen tussen microgolven en infrarood licht – dat een breed scala aan potentiële toepassingen heeft. Het kunnen detecteren van THz-golven zou grote technologische vooruitgang kunnen opleveren.

Op het gebied van communicatie werkt de huidige Wi-Fi-technologie bijvoorbeeld op enkele GHz, waardoor de hoeveelheid gegevens die kan worden verzonden wordt beperkt. THz-straling, met zijn veel hogere frequentie, zou kunnen dienen als de ‘draaggolffrequentie’ voor ultrasnelle netwerken die verder gaan dan 5G, waardoor een snellere gegevensoverdracht mogelijk wordt voor apparaten die met het Internet of Things (IoT) zijn verbonden, zelfrijdende auto’s en talloze andere toepassingen.

Bij medische beeldvorming en industriële kwaliteitscontrole kunnen THz-golven veel materialen binnendringen, waardoor ze nuttig zijn voor niet-invasieve scans. Ze zijn ook veiliger dan röntgenstralen en bieden een zeer selectief en nauwkeurig beeldvormingsinstrument.

Als we verder gaan, maakt THz vision observationele astronomie mogelijk, waardoor wetenschappers verre sterrenstelsels en exoplaneten kunnen observeren die niet met zichtbaar licht kunnen worden gezien.

THz-straling biedt dus een enorm potentieel. Tot voor kort was het detecteren ervan echter een grote uitdaging. THz-golven zijn te snel voor traditionele halfgeleiderchips en te langzaam voor conventionele opto-elektronische apparaten.

De viskeuze elektronenbolometer

Uit het onderzoek van het NUS-team blijkt dat wetenschappers, door gebruik te maken van het viscositeitsverlagende effect, innovatieve apparaten kunnen creëren die THz-golven kunnen detecteren door de veranderingen in de elektrische weerstand waar te nemen. In de huidige studie hebben Asst Prof. Bandurin en zijn team een ​​nieuwe klasse elektronische apparaten ontwikkeld, de viskeuze elektronenbolometer.

Deze bolometers vertegenwoordigen de eerste praktische toepassing van stroperige elektronica in de echte wereld – een concept waarvan men ooit dacht dat het puur theoretisch was – en zijn in staat weerstandsveranderingen uiterst nauwkeurig en snel waar te nemen, en werken in principe op de schaal van picoseconden. Met andere woorden, biljoensten van een seconde.

Het begrijpen en exploiteren van de manier waarop elektronen samen bewegen als een collectieve vloeistof opent de weg voor ons om het ontwerp van elektronische apparaten volledig te heroverwegen. Met dit in gedachten werken Asst Prof. Bandurin en zijn team actief aan het optimaliseren van deze viskeuze elektronenbolometers voor praktische toepassingen.

Naarmate wetenschappers meer geheimen ontdekken in de opkomende wereld van kwantummaterialen, is het duidelijk dat traditionele modellen van elektronengedrag niet langer voldoende zijn. Door dit nieuwe begrip van stroperige elektronica te omarmen, zouden we op het punt kunnen staan ​​een nieuwe golf van technologische mogelijkheden te ontsluiten.