電子進入「超彈道」模式! 物理學家都不知道有可能的速度!

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現在進入’超彈道’模式。

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想像一下,你有50個人都試圖在同時擠壓通過同一個門口。這種充滿壓力的瓶頸,通常會使每個人的速度變慢。但不知何故,要是這些人實際上可以比一個人獨自穿越更快,會怎樣呢?

這聽起來很瘋狂,但這是物理學家已經知道如何在某些條件下,使用電子來展示這個現象。大群的電子可以擠壓通過一塊金屬的間隙,速度比當前物理學可以預測的還快。

被稱為‘超彈道(superballistic)’流動,這項新發現的行為,描述電子群如何比單獨一個電子更快速地行進穿過緊密空間,而且它可以導致材料能夠在幾乎沒有阻抗之下傳輸電流。

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這將是很大的一件事,因為雖然超導性具有零阻抗,成為物理學中最吸引人和潛在的有利可圖現象之一,但它只能在低於5.8 K(-267°C或-450°F)的超級低溫度下實現,

如果研究人員可以在導電材料中重現這種新的超彈道電子流,那麼它們就可以在更垂涎的室溫環境下,利用超導性的許多好處。

他們的新理論模型,描述電子如何流動穿過微小的金屬間隙。來自麻省理工學院的物理學家發現,大群的電子實際上能夠彼此’協調’,來超過被認為是狹窄空間中電子的基本速度限制。這個限制被稱為蘭道爾彈道極限(Landauer’s ballistic limit)。

團隊成員之一的Leonid Levitov告訴麻省理工學院新聞(MIT News)的David L. Chandler:「我們可以克服這個每個人都在思考的電導性基本限制可以有多高的界線。」

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「我們已經證明一個可以做得比那個更好。」

當模擬電子擠壓通過狹隘開口的行為時,他們很驚訝地發現,這些次原子粒子實際上類似於氣體粒子通過緊密場所時,所運作的已知物理學。

索引

如果你觀察氣體在分子等級上通過狹窄的通道,你會看見個別的粒子在隨機移動,而且更可能在沿途中撞擊通道的牆壁好幾次,而不是在一路上做出乾淨、完美無障礙的旅程。

而如果粒子在移動時從牆壁彈開,就會失去能量,這會減慢每次的進度。

Chandler說:「但隨著更多的分子,大多數的分子會更常撞到其他分子,而不是撞到牆壁。」

「與其他分子的碰撞是’無損的’,因為碰撞的兩個粒子的總能量是被保留的,而且沒有發生整體減速。」

就保護個別氣體分子免於浪費能量的撞擊而言,這意味著有一種’數字安全’。

Levitov說:「氣體中的分子能夠經由’合作’,來實現個別分子無法完成的事。」

不僅如此,物理定律還規定,當通道中的氣體分子密度增加時,將它們推過落差所需的壓力,提供加速度給分組的分子,這是個別的分子無法做到的。

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當Levitov和他的團隊利用電子和不同的金屬,包括每個人最喜歡的神奇材料石墨烯,來重建這個現象時,他們發現電子可以以整齊協調的方式移動。

這是完全意想不到的,而且打破根深蒂固的蘭道爾彈道極限,被一個新速度所取代,超彈道。

這些研究人員在他們的論文中報告:「我們…看到在黏性流動中的電子能夠經由合作,來實現無法單獨完成的事。」

「阻抗的降低是由流動效應所造成,在那裡電子電流聚集起來形成繞過邊界的電流,然而發生動量損失。把電子相互作用看作是運輸的障礙,這種令人驚訝的行為是很不同於一般的看法。」

所以,現在怎麼辦?假如這些研究人員已經重建在電子中的氣體行為,這些東西提供動力給電子設備。這項發現指出電子器件可以實現低功率的高輸出。

要達到極低溫是很昂貴的,這項技術在室溫下運作,而且實際上溫度越高越好。

Levitov告訴麻省理工學院新聞:「是溫度促進超彈道流動,而不是阻礙。」

研究人員承認,他們的研究工作目前純粹是理論。但指出,它在各方面的預測已經通過以前的研究實驗證明。

而沒有參與這項研究的史丹佛物理學家David Goldhaber-Gordon表示,使用石墨烯試驗性地實際測試這些預測,在實驗室裡是完全可行的

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我們必須觀望這個團隊的計算是否正確,但超導性最好小心一點,因為我們的手上可能剛好有更好的東西。

這項研究發表在美國國家科學院院刊(Proceedings of the National Academy of Sciences)

「語音合成由賽微科技提供」

來源:ScienceAlert