Fotografía de vórtices en color
Aunque los electrones se predijeron teóricamente, hasta ahora nunca se habían visto fluir en vórtices.
¿Alguna vez has notado el vórtice que se forma cuando una bañera o lavabo drena agua y has pensado: ¿podrían los electrones fluir así? Pero los físicos llevan décadas pensando en este problema. Ahora, por primera vez, los científicos han observado electrones fluyendo en un vórtice.
Las moléculas de agua interactúan entre sí, dando como resultado un comportamiento colectivo similar al de un fluido.
Debido a que los electrones son tan pequeños, cualquier comportamiento colectivo que se lleve a cabo a través de un metal suele verse abrumado. Sin embargo, bajo ciertas condiciones y materiales, los electrones pueden comportarse como otros fluidos.
De hecho, los teóricos han predicho desde hace algún tiempo que los electrones deberían fluir como un tornado. Ahora, un equipo de físicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel son los primeros en observar realmente el flujo de electrones en un vórtice.
Se dice que los hallazgos del equipo, publicados en la revista Nature, ayudarán a producir la próxima generación de productos electrónicos más eficientes.
Leonid Levitov, profesor de física en el MIT, dijo: "En teoría, se esperan vórtices de electrones, pero no hay evidencia directa de que la visión sea creíble". este nuevo sistema donde los electrones se comportan como un fluido en lugar de como partículas individuales."
Normalmente, cuando los electrones están en metales o en semiconductores, sus trayectorias dependen primero de las impurezas y vibraciones del material.
Pero cuando se eliminan estas consideraciones clásicas, los efectos cuánticos toman el control y los electrones comienzan a influir mutuamente en el comportamiento cuántico. Luego, los electrones comienzan a moverse colectivamente, convirtiéndose en un e-líquido viscoso parecido a la miel.
Este comportamiento debería ser evidente en metales con pocas impurezas (llamados metales "ultralimpios") y a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Esta no es la primera vez que se observa un comportamiento similar al de un líquido en los electrones. Levitov y sus colegas de la Universidad de Manchester informaron sobre las características de fluidez de la tinta móvil electrónica en 2017.
Esto llevó a Levitov a explorar otros fenómenos fluidos en los electrones. El vórtice es el vórtice más grande. Como escriben los autores en su artículo en Nature, "A pesar de muchas predicciones teóricas, las características más llamativas y comunes del flujo de fluidos convencional, es decir, la formación de vórtices y turbulencias, no se han observado en los fluidos electrónicos".
Así que el equipo recurrió a capas atómicas individuales de telururo de tungsteno (WTe2), un compuesto metálico ultralimpio, donde se podían observar interesantes efectos electrónicos.
El telururo de tungsteno es un nuevo material cuántico en el que los electrones interactúan fuertemente y se comportan como ondas cuánticas en lugar de partículas. Además, los materiales son muy limpios, lo que hace que se pueda acceder directamente a un comportamiento similar al de un fluido.
El equipo grabó los caminos de las cámaras laterales de los electrones en telururo de tungsteno e hizo lo mismo con piezas de oro para comparar el flujo en metales estándar con el comportamiento de los electrones ordinarios. Se enfriaron dos muestras a 4,5 grados Celsius por encima del cero absoluto, y los investigadores pasaron una corriente eléctrica a través de ellas y midieron el flujo en puntos específicos.
Como era de esperar, los electrones de la lámina de oro no se invirtieron, ni siquiera cuando estaban frente a la cámara lateral. Sin embargo, los electrones del telururo de tungsteno fluyen a través del canal principal y giran hacia las cámaras laterales, formando un pequeño vórtice antes de volver a unirse al camino central.
El equipo investigador observó que la dirección del flujo de la cámara cambiaba y era opuesta a la de la banda central. "La física es la misma que en los fluidos ordinarios, pero les sucede a los electrones en la escala nanométrica. Esta es una característica obvia de los electrones en estado fluido".
Además de la primera observación directa de vórtices de electrones, estos hallazgos también brindan oportunidades para diseñar dispositivos de baja potencia con baja resistencia al flujo de corriente.
Sabemos que la disipación [de energía] se reduce cuando los electrones están en estado fluido, lo cual es importante cuando se intenta diseñar electrónica de baja potencia.
Este nuevo descubrimiento es un paso más en esta dirección.
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