Aunque son part\u00edculas discretas, las mol\u00e9culas de agua fluyen colectivamente como l\u00edquidos, produciendo corrientes, olas, remolinos y otros fen\u00f3menos fluidos cl\u00e1sicos. No es as\u00ed con la electricidad. Si bien una corriente el\u00e9ctrica tambi\u00e9n es una construcci\u00f3n de part\u00edculas distintas, en este caso, electrones, las part\u00edculas son tan peque\u00f1as que cualquier comportamiento colectivo entre ellas queda ahogado por influencias m\u00e1s grandes a medida que los electrones pasan a trav\u00e9s de los metales ordinarios. Pero, en ciertos materiales y bajo condiciones espec\u00edficas, tales efectos se desvanecen y los electrones pueden influirse directamente entre s\u00ed. En estos casos, los electrones pueden fluir colectivamente como un fluido. Ahora, los f\u00edsicos del MIT y el Instituto de Ciencias Weizmann han observado electrones que fluyen en v\u00f3rtices o remolinos, un sello distintivo del flujo de fluidos que los te\u00f3ricos predijeron que deber\u00edan exhibir los electrones, pero que nunca se hab\u00eda visto hasta ahora.<\/p>\n\n\n\n
“En teor\u00eda, se esperan v\u00f3rtices de electrones, pero no ha habido pruebas directas, y ver para creer”, dice Leonid Levitov, profesor de f\u00edsica en el MIT. “Ahora lo hemos visto, y es una clara se\u00f1al de estar en este nuevo r\u00e9gimen, donde los electrones se comportan como un fluido, no como part\u00edculas individuales”.<\/p>\n\n\n\n
Las observaciones, publicadas en la revista Nature, podr\u00edan informar el dise\u00f1o de dispositivos electr\u00f3nicos m\u00e1s eficientes.<\/p>\n\n\n\n
“Sabemos que cuando los electrones pasan a un estado fluido, la disipaci\u00f3n [de energ\u00eda] cae, y eso es de inter\u00e9s al tratar de dise\u00f1ar electr\u00f3nica de baja potencia”, dice Levitov. “Esta nueva observaci\u00f3n es otro paso en esa direcci\u00f3n”.<\/p>\n\n\n\n
Levitov es coautor del nuevo art\u00edculo, junto con Eli Zeldov y otros en el Instituto Weizmann para la Ciencia en Israel y la Universidad de Colorado en Denver.<\/p>\n\n\n\n
Un apret\u00f3n colectivo Pero los te\u00f3ricos han predicho que en ausencia de tales procesos cl\u00e1sicos ordinarios, los efectos cu\u00e1nticos deber\u00edan hacerse cargo. Es decir, los electrones deber\u00edan captar el delicado comportamiento cu\u00e1ntico de los dem\u00e1s y moverse colectivamente, como un fluido de electrones viscoso, similar a la miel. Este comportamiento similar al l\u00edquido deber\u00eda surgir en materiales ultralimpios y a temperaturas cercanas a cero.<\/p>\n\n\n\n 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 l\u00e1mina de carbono delgada como un \u00e1tomo en la que grabaron un canal delgado con varios puntos de pellizco. Observaron que una corriente enviada a trav\u00e9s del canal pod\u00eda fluir a trav\u00e9s de las constricciones con poca resistencia. Esto sugiri\u00f3 que los electrones en la corriente pudieron pasar a trav\u00e9s de los puntos de pellizco colectivamente, como un fluido, en lugar de obstruirse, como granos de arena individuales.<\/p>\n\n\n\n Esta primera indicaci\u00f3n llev\u00f3 a Levitov a explorar otros fen\u00f3menos de fluidos de electrones. En el nuevo estudio, \u00e9l y sus colegas del Instituto Weizmann para la Ciencia buscaron visualizar v\u00f3rtices de electrones. Como escriben en su art\u00edculo, “la caracter\u00edstica m\u00e1s llamativa y omnipresente en el flujo de fluidos regulares, la formaci\u00f3n de v\u00f3rtices y turbulencias, a\u00fan no se ha observado en los fluidos de electrones a pesar de numerosas predicciones te\u00f3ricas”.<\/p>\n\n\n\n Flujo de canalizaci\u00f3n “El ditelururo de tungsteno es uno de los nuevos materiales cu\u00e1nticos donde los electrones interact\u00faan fuertemente y se comportan como ondas cu\u00e1nticas en lugar de part\u00edculas”, dice Levitov. “Adem\u00e1s, el material es muy limpio, lo que hace que el comportamiento fluido sea directamente accesible”.<\/p>\n\n\n\n Los investigadores sintetizaron monocristales puros de ditellurida de tungsteno y exfoliaron finas escamas del material. Luego utilizaron litograf\u00eda por haz de electrones y t\u00e9cnicas de grabado con plasma para modelar cada escama en un canal central conectado a una c\u00e1mara circular a cada lado. Grabaron el mismo patr\u00f3n en finas escamas de oro, un metal est\u00e1ndar con propiedades electr\u00f3nicas ordinarias y cl\u00e1sicas.<\/p>\n\n\n\n Luego hicieron pasar una corriente a trav\u00e9s de cada muestra modelada a temperaturas ultrabajas de aproximadamente -101\u00b0C y midieron el flujo de corriente en puntos espec\u00edficos a lo largo de cada muestra, utilizando un dispositivo de interferencia cu\u00e1ntica superconductora de escaneo a nanoescala (SQUID) en una punta. Este dispositivo fue desarrollado en el laboratorio de Zeldov y mide campos magn\u00e9ticos con una precisi\u00f3n extremadamente alta. Usando el dispositivo para escanear cada muestra, el equipo pudo observar en detalle c\u00f3mo flu\u00edan los electrones a trav\u00e9s de los canales estampados en cada material.<\/p>\n\n\n\n Los investigadores observaron que los electrones que flu\u00edan a trav\u00e9s de canales estampados en hojuelas de oro lo hac\u00edan sin invertir la direcci\u00f3n, incluso cuando parte de la corriente pasaba por cada c\u00e1mara lateral antes de volver a unirse a la corriente principal. En contraste, los electrones que fluyen a trav\u00e9s del ditelururo de tungsteno fluyeron a trav\u00e9s del canal y se arremolinaron en cada c\u00e1mara lateral, como lo har\u00eda el agua cuando se vac\u00eda en un recipiente. Los electrones crearon peque\u00f1os remolinos en cada c\u00e1mara antes de regresar al canal principal.<\/p>\n\n\n\n “Observamos un cambio en la direcci\u00f3n del flujo en las c\u00e1maras, donde la direcci\u00f3n del flujo invirti\u00f3 la direcci\u00f3n en comparaci\u00f3n con la de la franja central”, dice Levitov. “Eso es algo muy sorprendente, y es la misma f\u00edsica que en los fluidos ordinarios, pero sucede con electrones en la nanoescala. Esa es una firma clara de que los electrones est\u00e1n en un r\u00e9gimen similar al de un fluido”.<\/p>\n\n\n\n Las observaciones del grupo son la primera visualizaci\u00f3n directa de v\u00f3rtices arremolinados en una corriente el\u00e9ctrica. Los hallazgos representan una confirmaci\u00f3n experimental de una propiedad fundamental en el comportamiento de los electrones. Tambi\u00e9n pueden ofrecer pistas sobre c\u00f3mo los ingenieros pueden dise\u00f1ar dispositivos de baja potencia que conduzcan la electricidad de una manera m\u00e1s fluida y menos resistiva.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Cuando la electricidad atraviesa la mayor\u00eda de los metales y semiconductores comunes, los momentos y las trayectorias de los electrones en la corriente est\u00e1n influenciados por las impurezas del material y las vibraciones entre los \u00e1tomos del material. Estos procesos dominan el comportamiento de los electrones en los materiales ordinarios.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Para visualizar los v\u00f3rtices de electrones, el equipo busc\u00f3 el ditellururo de tungsteno (WTe2), un compuesto met\u00e1lico ultralimpio que se ha encontrado que exhibe propiedades electr\u00f3nicas ex\u00f3ticas cuando se a\u00edsla en forma bidimensional de un solo \u00e1tomo de espesor.<\/p>\n\n\n\n