Cuando los electrones que viajan individualmente pasan a través de una abertura estrecha, rebotarán de las paredes a cada lado, perdiendo su ímpetu así como algo de su energía. Pero cuando los electrones viajan en grupos densos, son mucho más propensos a rebotar entre sí que las paredes, y viajar rápidamente.Comportarse como partículas en un fluido viscoso puede ayudar a los racimos de electrones a apretarse a través de un espacio apretado.
Cuando muchas personas tratan de atravesar un pasadizo al mismo tiempo, crea un cuello de botella que frena a todos. Resulta que lo contrario es cierto para los electrones, que pueden moverse a través de pequeñas aberturas más rápidamente cuando viajan en grupos grandes que cuando volaban en solitario.
La teoría del llamado flujo superbalístico predice que los electrones pueden pasar más fácilmente a través de las constricciones al interactuar entre sí y, por lo tanto, “cooperar”, de lo que pueden individualmente. La teoría fue propuesta en un documento a principios de este año por un equipo dirigido por el profesor del MIT de física Leonid Levitov.
Ahora, en un trabajo publicado esta semana en la revista Nature Physics , un equipo de la Universidad de Manchester en el Reino Unido, junto con Levitov y el graduado del MIT Haoyu Guo, han confirmado la teoría en un experimento que emplea dispositivos construidos a partir de una capa atómicamente delgada de Grafeno
La idea detrás del flujo superballistic es que las interacciones entre los electrones los hacen moverse en una manera altamente coordinada, imitando el comportamiento de partículas en líquidos altamente viscosos.
Cuando los electrones que viajan individualmente pasan a través de una abertura estrecha, rebotarán de las paredes a cada lado, perdiendo su ímpetu así como algo de su energía.
Pero cuando los electrones viajan en grupos densos, son mucho más propensos a rebotar entre sí que las paredes. Tales colisiones electrón-electrón se conocen como “lossless”, ya que la energía total y el impulso neto de las dos partículas se conservan. El impulso de los electrones individuales puede cambiar rápidamente en el proceso, sin embargo la conservación general del momento asegura que las pérdidas son muy bajas.
Como resultado, juntos los electrones son capaces de viajar más rápidamente, y pasar a través de la constricción más fácilmente, que solos.
“Los flujos viscosos de electrones se han anticipado en teoría, pero nunca se observó, en parte porque los materiales no eran lo suficientemente buenos en ese momento, y en parte porque no había buenas propuestas de qué buscar”, dice Levitov.
Para hacer que el flujo viscoso sea más fácil de identificar, el artículo teórico de Levitov sugirió obligar a los electrones a viajar a través de una constricción, generando una corriente eléctrica. Esta es una idea similar a la forma en que los investigadores del siglo XIX estudiaron la viscosidad al pasar fluidos a través de un canal estrecho.
“Si se corre corriente a través de una constricción, y las condiciones son correctas y el flujo es viscoso … la resistencia de ese flujo será anormalmente baja, es decir, inferior a la esperada para el flujo de partículas libre”, dice Levitov.
Esta caída de la resistencia se puede medir, revelando la presencia de flujo viscoso.
Los investigadores de Manchester, dirigidos por el profesor de física y ganador del Premio Nobel Andre Geim, grabaron cuidadosamente una serie de constricciones o puntos de pinzamiento en piezas de grafeno encapsuladas entre cristales de nitruro de boro.
“El equipo grabó las hojas de grafeno en una forma en la que formaron varias constricciones, ordenadas en secuencia, y luego aplicaron una corriente tal que fluyó a través de todas estas constricciones, una por una”, dice Levitov.
Los investigadores midieron entonces la caída del potencial eléctrico sobre cada constricción independientemente, permitiéndoles detectar el caudal a través de cada punto de pellizco en el dispositivo.
Encontraron que la conductancia de los electrones excedía la conductancia máxima posible para los electrones libres, conocido como límite balístico de Landauer.
También encontraron que la conductancia de los electrones aumentó con un aumento de la temperatura.
De esta manera, los investigadores pudieron verificar las predicciones originales de Levitov y Guo dentro de unos pocos días. Levitov dice que esto es probablemente la confirmación experimental más rápida de una de sus predicciones en toda su carrera, con el más largo de tomar alrededor de 20 años para demostrar.
Para confirmar sus hallazgos, los investigadores repitieron el experimento con una gama de diferentes dispositivos de grafeno, y obtuvieron los mismos resultados.
El trabajo apunta hacia la posibilidad de usar interacciones entre electrones para diseñar electrónica de bajo consumo, dice Levitov.
Pero más fundamentalmente, dice, abre un nuevo territorio en nuestra comprensión de la física del flujo de carga, en la que los electrones se comportan de manera colectiva.
Las interacciones electrón-electrón han sido responsables de una gran variedad de física novedosa y emocionante, pero los efectos de estas interacciones suelen ser más fuertes a medida que la temperatura se reduce, dice Amir Yacoby, un profesor de física en la Universidad de Harvard, que no participó en la investigación.
“El régimen de flujo de electrones hidrodinámico es otra manifestación increíblemente rica de interacciones electrón-electrón, y esta vez crece con el aumento de la temperatura”, dice Yacoby.
Esto sugiere que algunos de estos efectos podrían llegar a ser más accesibles a la observación que nunca.
“Los fenómenos particulares descritos en la teoría y el experimento son un hermoso ejemplo de un nuevo régimen de conductancia que no ha sido explorado antes”, dice.
Levitov y su equipo ahora están investigando las implicaciones de estos hallazgos. En particular, planean estudiar el transporte de calor dentro del nuevo régimen de mecánica de fluidos.
“Parece que el transporte de calor en este nuevo régimen es también muy sorprendente, y más interesante de lo que inicialmente pensamos”, dice. “Este régimen de mecánica de fluidos podría usarse para controlar el flujo de calor en sistemas electrónicos de nuevas maneras”.
Fuente: MIT