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2022-07-10Físicos ven remolinos de electrones por primera vez

MIT |Predicho durante mucho tiempo pero nunca observado, este comportamiento de electrones similar a un fluido podría aprovecharse para la electrónica de próxima generación de baja potencia.

Aunque son partículas discretas, las moléculas de agua fluyen colectivamente como líquidos, produciendo corrientes, olas, remolinos y otros fenómenos fluidos clásicos.

No es así con la electricidad. Si bien una corriente eléctrica también es una construcción de partículas distintas, 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. Pero, en ciertos materiales y bajo condiciones específicas, tales efectos se desvanecen y los electrones pueden influirse directamente entre sí. En estos casos, los electrones pueden fluir colectivamente como un fluido.

Ahora, los físicos del MIT y el Instituto de Ciencias Weizmann han observado electrones que fluyen en vórtices o remolinos, un sello distintivo del flujo de fluidos que los teóricos predijeron que deberían exhibir los electrones, pero que nunca se había visto hasta ahora.

“En teoría, se esperan vórtices de electrones, pero no ha habido pruebas directas, y ver para creer”, dice Leonid Levitov, profesor de física en el MIT. "Ahora lo hemos visto, y es una clara señal de estar en este nuevo régimen, donde los electrones se comportan como un fluido, no como partículas individuales".

Las observaciones, publicadas hoy en la revista Nature , podrían informar el diseño de dispositivos electrónicos más eficientes.

“Sabemos que cuando los electrones pasan a un estado fluido, la disipación [de energía] cae, y eso es de interés al tratar 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 apretón colectivo

Cuando la electricidad atraviesa la mayoría de los metales y semiconductores comunes, los momentos y las trayectorias de los electrones en la corriente están influenciados por las impurezas del material y las vibraciones entre los átomos del material. Estos procesos dominan el comportamiento de los electrones en los 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 detectar el delicado comportamiento cuántico de los demás y moverse colectivamente, como un fluido de electrones viscoso similar a la miel. Este comportamiento similar al líquido debería surgir en materiales ultralimpios y a temperaturas cercanas a cero.


En 2017, Levitov y sus colegas de la Universidad de Manchester informaron firmas de un comportamiento de electrones similar a un fluido en el grafeno , una lámina de carbono delgada como un átomo en la que grabaron un canal delgado con varios 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 pudieron pasar a través de los puntos de pellizco colectivamente, como un fluido, en lugar de obstruirse, como granos de arena individuales.

Esta primera indicación llevó a Levitov a explorar otros fenómenos de fluidos de electrones. En el nuevo estudio, él y sus colegas del Instituto Weizmann para la Ciencia buscaron visualizar vórtices de electrones. Como escriben en su artículo, "la característica más llamativa y omnipresente en el flujo de fluidos regulares, la formación de vórtices y turbulencias, aún no se ha observado en los fluidos de electrones a pesar de numerosas predicciones teóricas".

Flujo de canalización

Para visualizar los vórtices de electrones, el equipo buscó el ditellururo de tungsteno (WTe2), un compuesto metálico ultralimpio que se ha encontrado que exhibe propiedades electrónicas exóticas cuando se aísla en forma bidimensional de un solo átomo de espesor.

"El ditellururo de tungsteno es uno de los nuevos materiales cuánticos en los que 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 fluido 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 estándar con propiedades electrónicas ordinarias y clásicas.

Luego hicieron pasar 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 a lo largo de cada muestra, utilizando un dispositivo de interferencia cuántica superconductora de exploración 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 fluían los electrones 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. En contraste, 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 cuando se vacía en un recipiente. Los electrones crearon pequeños remolinos en cada cámara antes de regresar 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 franja central", dice Levitov. “Eso es algo muy sorprendente, y es la misma física que en los fluidos ordinarios, pero sucede con electrones en la nanoescala. Esa es una firma clara de que los electrones están en un régimen similar al de un fluido”.

Las observaciones del grupo son la primera visualización directa de vórtices arremolinados en una corriente eléctrica. Los hallazgos representan una confirmación experimental de una propiedad fundamental en el comportamiento de los electrones. También pueden ofrecer pistas sobre cómo los ingenieros pueden diseñar dispositivos de baja potencia que conduzcan la electricidad de una manera más fluida y menos resistiva.

"Se han informado firmas de flujo de electrones viscosos en una serie de experimentos con diferentes materiales", dice Klaus Ensslin, profesor de física en ETH Zurich en Suiza, que no participó en el estudio. "La expectativa teórica de un flujo de corriente similar a un vórtice ahora se ha confirmado experimentalmente, lo que agrega un hito importante en la investigación de este nuevo régimen de transporte".

Esta investigación fue apoyada, en parte, por el Consejo Europeo de Investigación, la Fundación Germano-Israelí para la Investigación y el Desarrollo Científico y por la Fundación de Ciencias de Israel.

MIT
Autor
MIT

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