وسکونسن میڈیسن یونیورسٹی کے طبیعیات دانوں نے پہلی بار نینو میٹر ریزولوشن میں گرافین میں الیکٹرانوں کے سیال نما بہاؤ کی براہ راست پیمائش کی۔ نتائج، جو جرنل میں ظاہر ہوں گے۔ سائنس 17 فروری کو، نئے، کم مزاحمتی مواد تیار کرنے کے لیے درخواستیں ہیں، جہاں بجلی کی نقل و حمل زیادہ موثر ہوگی۔
گرافین، کاربن کی ایک ایٹم موٹی شیٹ جو شہد کے چھتے کے پیٹرن میں ترتیب دی گئی ہے، خاص طور پر خالص برقی موصل ہے، جو اسے انتہائی کم مزاحمت کے ساتھ الیکٹران کے بہاؤ کا مطالعہ کرنے کے لیے ایک مثالی مواد بناتا ہے۔ یہاں، محققین نے جان بوجھ کر معلوم فاصلوں پر نجاست شامل کی اور پایا کہ درجہ حرارت بڑھنے کے ساتھ ہی الیکٹران کا بہاؤ گیس کی طرح سے سیال کی طرح بدل جاتا ہے۔
UW-Madison میں فزکس کے گریجویٹ طالب علم Zach Krebs کا کہنا ہے کہ \”تمام کنڈکٹیو مواد میں نجاست اور خامیاں ہوتی ہیں جو الیکٹران کے بہاؤ کو روکتی ہیں، جو مزاحمت کا باعث بنتی ہیں۔ تاریخی طور پر، لوگوں نے یہ شناخت کرنے کے لیے کم ریزولوشن کا طریقہ اختیار کیا ہے کہ مزاحمت کہاں سے آتی ہے\”۔ مطالعہ کے مرکزی مصنف. \”اس مطالعہ میں، ہم یہ تصویر بناتے ہیں کہ کس طرح ایک ناپاکی کے گرد چارج بہتا ہے اور درحقیقت یہ دیکھتے ہیں کہ یہ نجاست کس طرح کرنٹ کو روکتی ہے اور مزاحمت کا باعث بنتی ہے، جو کہ گیس کی طرح اور سیال جیسے الیکٹران کے بہاؤ میں فرق کرنے کے لیے پہلے نہیں کیا گیا تھا۔
محققین نے جان بوجھ کر گرافین میں رکاوٹوں کو متعارف کرایا، کنٹرول فاصلے پر فاصلہ طے کیا اور پھر شیٹ پر کرنٹ لگایا۔ اسکیننگ ٹنلنگ پوٹینٹیومینٹری (STP) نامی تکنیک کا استعمال کرتے ہوئے، انہوں نے گرافین کے تمام پوائنٹس پر نینو میٹر ریزولوشن کے ساتھ وولٹیج کی پیمائش کی، جس سے الیکٹران کے بہاؤ کے پیٹرن کا 2D نقشہ تیار ہوا۔
رکاوٹ کے وقفے سے کوئی فرق نہیں پڑتا، چینل کے ذریعے وولٹیج میں کمی زیادہ درجہ حرارت (77 کیلونز) بمقابلہ کم درجہ حرارت (4 K) پر بہت کم تھی، جو زیادہ الیکٹرانوں کے گزرنے کے ساتھ کم مزاحمت کی نشاندہی کرتی ہے۔
مطلق صفر کے قریب درجہ حرارت پر، گرافین میں الیکٹران ایک گیس کی طرح برتاؤ کرتے ہیں: وہ تمام سمتوں میں پھیلتے ہیں اور ایک دوسرے کے ساتھ تعامل کے مقابلے میں رکاوٹوں کو ٹکرانے کا زیادہ امکان رکھتے ہیں۔ مزاحمت زیادہ ہے، اور الیکٹران کا بہاؤ نسبتاً غیر موثر ہے۔ زیادہ درجہ حرارت پر — 77 K، یا مائنس 196 C — الیکٹران کے بہاؤ کے سیال جیسے رویے کا مطلب ہے کہ وہ رکاوٹوں کو ٹکرانے سے کہیں زیادہ ایک دوسرے کے ساتھ تعامل کر رہے ہیں، ایک ندی کے بیچ میں دو چٹانوں کے درمیان پانی کی طرح بہہ رہے ہیں۔ یہ ایسا ہی ہے جیسے الیکٹران ایک دوسرے کو رکاوٹ کے بارے میں معلومات فراہم کر رہے ہیں اور پتھروں کے گرد گھوم رہے ہیں۔
\”ہم نے ایک مقداری تجزیہ کیا۔ [of the voltage map] اور پتہ چلا کہ زیادہ درجہ حرارت پر، چینل میں مزاحمت بہت کم ہوتی ہے۔ کریبس کا کہنا ہے کہ الیکٹران زیادہ آزادانہ اور سیال کی طرح بہہ رہے تھے۔\” گرافین اتنا صاف ہے کہ ہم الیکٹرانوں کو کسی اور چیز سے تعامل کرنے سے پہلے ایک دوسرے کے ساتھ تعامل کرنے پر مجبور کر رہے ہیں، اور یہ ان کے ساتھ برتاؤ کرنے کے لیے بہت اہم ہے۔ سیال.\”
سابق UW-Madison گریجویٹ طالب علم Wyatt Behn فزکس کے پروفیسر وکٹر برار کے گروپ میں کیے گئے اس مطالعے کے شریک پہلے مصنف ہیں۔ امریکی محکمہ توانائی (DE-SC00020313)، دفتر برائے بحری تحقیق (N00014-20-1-2356) اور نیشنل سائنس فاؤنڈیشن (DMR-1653661) کے ذریعے فنڈنگ فراہم کی گئی۔