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【科学ニュース】物理学の新しい波:グラフェン内で液体化する電子

グラフェンの中で電子が尋常でない動きを見せたことから、導電材料に関する物理学に新たな知識が加わった。

グラフェンは、ひとつにはその2次元構造から、銅の何倍もの導電性を有している。ほとんどの金属では、結晶構造の不完全性により電子の進路が分散するため、導電性は制限される。

今回、英国立グラフェン研究所で行われた実験の観察結果から、グラフェン内の電子の流れの特殊な振る舞いについて、将来のナノ電子回路の設計で考慮すべき本質的な知見が得られた。

グラフェンのような高品質素材では、電子はミクロンレベルの距離を散乱せずに進行でき、導電性は数桁の単位で向上する。このいわゆる「バリスティック構造(ballistic regime)」は、通常の金属ではランダウアー・ビュティカー理論(Landauer-Büttiker formalism)で定義される、可能な最大導電性を示す。

Nature Physics誌で8月21日に公開された新しい研究で、マンチェスター大学のマルコ・ポリーニ(Marco Polini)教授とマサチューセッツ工科大学のレオニード・レビトフ(Leonid S. Levitov)教授率いる理論物理学者チームは、ランダウアーの基本的な制限がグラフェンでは破られることを示した。さらに魅力的なのは、それを可能にするメカニズムである。

昨年、電子流体力学という固体物理学の新しい分野に大きな科学的関心が集まった。マンチェスター大学によるものを含む3つの実験から、一定範囲の温度では電子同士が衝突する頻度が非常に高くなるため、粘性のある液体のように集合的に流れるようになることが明らかになった。

今回の新しい研究では、この粘性液体はバリスティック電子(単体で直進する電子)よりもさらに導電性が高いことが示された。散乱現象は結晶内での動きを抑制し、一般的には物質の導電性を引き下げるように働くため、この結果は物理学の常識に反している。しかし、衝突した電子同士は共に働くようになり、電気の流れを容易にする。

これが起こるのは、一部の電子が、運動量の散逸が最大となる結晶の端近くに残り、動きが遅くなるためである。同時にこれらの電子は、近くの他の電子がこの領域に衝突するのを防いでいる。その結果、中央を通る電子は仲間が作ったチャネルを通過するときに“スーパーバリスティック(超弾道性)”となる。

ポリーニ氏らとともに研究を率いたマンチェスター大学のアンドレ・ゲイム卿(Sir Andre K. Geim)はこう述べる。「学校では、障害が増えると必ず電気抵抗は大きくなると習ってきた。われわれのケースでは、電子の散乱により生じる障害が、実際には抵抗を増やすのではなく減らしている。これはユニークであり、直観とはまったく相容れない。液体のように凝集した電子は、真空中であるかのように、自由電子である場合よりも速く伝搬し始める」。

グラフェンには数多くの用途があり、単なる高速コンピューターでなく、より強力な量子コンピューターの開発でも重要な要素のひとつと考えられている。つまり、ナノ電子回路を設計するためには、グラフェン内で電子がどのように流れるかをさらに深く理解する必要がある。

グラフェンベースの回路は電子技術の進歩に不可欠であり、その利点は実証研究の域をはるかに超え、サイズのエルゴノミクスからエネルギーの消費と流通の最適化にまで及んでいる。電力網やインフラにおいても、いずれこの進行中の技術革命の恩恵を受けとるようになるだろう。

【情報ソース】

Nature Physics - Superballistic flow of viscous electron fluid through graphene constrictions
https://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys4240.html
doi:10.1038/nphys4240

University of Manchester - Electrons flowing like liquid in graphene start a new wave of physics
http://www.manchester.ac.uk/discover/news/electrons-flowing-like-liquid-in-graphene-start-a-new-wave-of-physics/

Futuism - An Electric Revolution: New Study Shows Fluid-Like Motion of Electrons in Graphene
https://futurism.com/an-electric-revolution-new-study-shows-fluid-like-motion-of-electrons-in-graphene/

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