(Noticias de Nanowerk) Aunque son partículas discretas, las moléculas de agua fluyen colectivamente como líquidos, creando corrientes, ondas, remolinos y otros fenómenos fluidos clásicos.
No es así con la electricidad. Si bien una corriente eléctrica también es una construcción de diferentes partículas, en este caso electrones, las partículas son tan pequeñas que cualquier comportamiento colectivo entre ellas queda ahogado por influencias más grandes a medida que los electrones pasan a través de los metales ordinarios. Sin embargo, en ciertos materiales y bajo ciertas condiciones, tales efectos disminuyen y los electrones pueden influirse directamente entre sí. En estos casos, los electrones pueden fluir colectivamente como un líquido.
Ahora, los físicos del MIT y el Instituto de Ciencias Weizmann han observado que los electrones fluyen en vórtices o remolinos, un sello distintivo de los flujos de fluidos que los teóricos han predicho que deberían incluir electrones, pero esto nunca se había observado antes.
«Teóricamente, se esperan vórtices de electrones, pero no hubo evidencia directa, y ver es creer», dice Leonid Levitov, profesor de física en el MIT. «Ahora lo hemos visto, y es una señal clara de que estamos en este nuevo régimen en el que los electrones se comportan como un líquido, no como partículas individuales».
Las observaciones reportadas en el diario. Naturaleza («Observación directa de vórtices en un líquido de electrones»), podría influir en el diseño de una electrónica más eficiente.
«Sabemos que cuando los electrones pasan a estado líquido, [energy] la disipación de energía disminuye, y esto es de interés cuando se trata de diseñar electrónica de baja potencia”, dice Levitov. «Esta nueva observación es otro paso en esa dirección».
Levitov es coautor del nuevo artículo, junto con Eli Zeldov y otros en el Instituto Weizmann para la Ciencia en Israel y la Universidad de Colorado en Denver.
Un flechazo colectivo
Cuando la electricidad fluye a través de los metales y semiconductores más comunes, los momentos y las trayectorias de los electrones en la corriente se ven afectados por las impurezas del material y las vibraciones entre los átomos del material. Estos procesos dominan el comportamiento electrónico en materiales ordinarios.
Pero los teóricos han predicho que en ausencia de tales procesos clásicos ordinarios, los efectos cuánticos deberían hacerse cargo. Es decir, los electrones deberían captar el comportamiento cuántico sensible de los demás y moverse juntos como un fluido electrónico viscoso similar a la miel. Este comportamiento similar al líquido debería ocurrir en materiales ultrapuros y a temperaturas cercanas a cero.
En 2017, Levitov y sus colegas de la Universidad de Manchester informaron firmas de un comportamiento electrónico similar a un líquido en el grafeno, una capa de carbono atómicamente delgada, en la que grabaron un canal delgado con múltiples puntos de pellizco. Observaron que una corriente enviada a través del canal podía fluir a través de las constricciones con poca resistencia. Esto sugirió que los electrones en la corriente podrían colarse colectivamente a través de los puntos de pellizco, como un líquido, en lugar de obstruirse como granos de arena individuales.
Esta primera pista llevó a Levitov a investigar otros fenómenos de líquido electrónico. En el nuevo estudio, él y sus colegas del Instituto Weizmann para la Ciencia intentaron visualizar vórtices de electrones. Como escriben en su artículo, «la característica más llamativa y omnipresente en el flujo de líquidos normales, la formación de vórtices y turbulencias, aún no se ha observado en los líquidos de electrones, a pesar de numerosas predicciones teóricas».
flujo de canalización
Para visualizar los vórtices de electrones, el equipo buscó ditellurida de tungsteno (WTe2), un compuesto de metal ultrapuro que mostró propiedades electrónicas exóticas cuando se aisló en una forma bidimensional monoatómica delgada.
«El ditelururo de tungsteno es uno de los nuevos materiales cuánticos donde los electrones interactúan fuertemente y se comportan como ondas cuánticas en lugar de partículas», dice Levitov. «Además, el material es muy limpio, lo que hace que el comportamiento similar al líquido sea directamente accesible».
Los investigadores sintetizaron monocristales puros de ditellurida de tungsteno y exfoliaron finas escamas del material. Luego utilizaron litografía por haz de electrones y técnicas de grabado con plasma para modelar cada escama en un canal central conectado a una cámara circular a cada lado. Grabaron el mismo patrón en finas escamas de oro, un metal básico con propiedades electrónicas comunes y clásicas.
Luego hicieron fluir una corriente a través de cada muestra modelada a temperaturas ultrabajas de 4,5 Kelvin (alrededor de -450 grados Fahrenheit) y midieron el flujo de corriente en puntos específicos de cada muestra, utilizando un dispositivo de interferencia cuántica superconductora a nanoescala (SQUID) en una punta. Este dispositivo fue desarrollado en el laboratorio de Zeldov y mide campos magnéticos con una precisión extremadamente alta. Usando el dispositivo para escanear cada muestra, el equipo pudo observar en detalle cómo los electrones fluyen a través de los canales estampados en cada material.
Los investigadores observaron que los electrones que fluían a través de canales estampados en hojuelas de oro lo hacían sin invertir la dirección, incluso cuando parte de la corriente pasaba por cada cámara lateral antes de volver a unirse a la corriente principal. Por el contrario, los electrones que fluyen a través del ditelururo de tungsteno fluyeron a través del canal y se arremolinaron en cada cámara lateral, como lo haría el agua si se vacía en un recipiente. Los electrones crearon pequeños remolinos en cada cámara antes de fluir de regreso al canal principal.
«Observamos un cambio en la dirección del flujo en las cámaras, donde la dirección del flujo invirtió la dirección en comparación con la de la mediana», dice Levitov. «Esto es algo muy notable, y es la misma física que en los líquidos ordinarios, pero sucede con los electrones a nanoescala. Esta es una firma clara de que los electrones están en un régimen similar al líquido”.
Las observaciones del grupo son la primera visualización directa de vórtices arremolinados en una corriente eléctrica. Los resultados proporcionan una confirmación experimental de una propiedad fundamental del comportamiento de los electrones y también pueden proporcionar pistas sobre cómo los ingenieros podrían diseñar dispositivos de baja potencia que conduzcan la electricidad de manera más suave y con menos resistencia.
