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| Los científicos han detectado por primera vez "remolinos de electrones". Crédito: Christine Daniloff, MIT |
Un equipo internacional de físicos ha observado cómo los electrones fluyen en vórtices, un rasgo distintivo del flujo de fluidos que los teóricos preveían que debían presentar los electrones, pero que nunca se había visto hasta ahora.
Cuando la electricidad circula por la mayoría de los metales y semiconductores ordinarios, los momentos y trayectorias de los electrones en la corriente están influidos por las impurezas del material y las vibraciones entre los átomos del mismo. Estos procesos dominan el comportamiento de los electrones en los materiales ordinarios.
Pero los físicos teóricos han predicho que, en ausencia de estos procesos ordinarios y clásicos, los efectos cuánticos deberían tomar el relevo.
Es decir, los electrones deberían captar el delicado comportamiento cuántico de los demás y moverse colectivamente, como un fluido de electrones viscoso y parecido a la miel.
Este comportamiento similar al de un líquido debería surgir en materiales ultraligeros y a temperaturas cercanas a cero.
En 2017, el profesor del MIT Leonid Levitov y sus colegas de la Universidad de Manchester informaron de las firmas de este comportamiento de electrones similar a un fluido en el grafeno.
Observaron que una corriente enviada a través del canal podía fluir a través de las constricciones con poca resistencia. Esto sugería que los electrones de la corriente eran capaces de atravesar los puntos de pellizco colectivamente, como un fluido, en lugar de atascarse, como los granos de arena individuales.
En un nuevo estudio, el profesor Levitov y los físicos del Instituto Weizmann para la Ciencia trataron de visualizar los vórtices de electrones.
Se centraron en el ditelururo de wolframio (WTe2), un compuesto metálico ultraligero que presenta propiedades electrónicas exóticas cuando se aísla en forma de átomos simples en 2D.
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| Un diagrama que muestra cómo fluyen los electrones en un metal estándar (oro), a la izquierda, y cómo crean remolinos de electrones en un material cuántico (diteluro de tungsteno), a la derecha. Crédito: MIT |
"El ditelururo de wolframio es uno de los nuevos materiales cuánticos en los que los electrones interactúan fuertemente y se comportan como ondas cuánticas en lugar de como partículas", explicó el profesor Levitov.
"Además, el material es muy limpio, lo que hace que el comportamiento similar al de los fluidos sea directamente accesible".
Los investigadores sintetizaron monocristales puros de ditelururo de tungsteno y exfoliaron finas escamas del material.
A continuación, utilizaron técnicas de litografía de haz electrónico y de grabado por plasma para crear un patrón de 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 clásicas.
A continuación, hicieron pasar una corriente a través de cada muestra estampada a temperaturas ultrabajas de 4,5 K y midieron el flujo de corriente en puntos específicos de cada muestra, utilizando un dispositivo de interferencia cuántica superconductor de barrido a nanoescala (SQUID) en una punta.
Utilizando el dispositivo para escanear cada muestra, pudieron observar con detalle cómo fluían los electrones a través de los canales modelados en cada material.
Los autores observaron que los electrones que fluían por los canales estampados en las escamas de oro lo hacían sin invertir su dirección, incluso cuando parte de la corriente pasaba por cada cámara lateral antes de unirse de nuevo a la corriente principal.
Por el contrario, los electrones que fluían por el ditellururo de tungsteno lo hacían por el canal y se arremolinaban en cada cámara lateral, de forma parecida a como lo haría el agua al vaciarse en un cuenco.
Los electrones crearon pequeños remolinos en cada cámara antes de volver a fluir hacia el canal principal.
"Observamos un cambio en la dirección del flujo en las cámaras, donde el sentido del flujo invertía la dirección en comparación con el de la franja central", dijo el profesor Levitov.
"Es algo muy llamativo, y se trata de la misma física que en los fluidos ordinarios, pero que ocurre con los electrones a escala nanométrica. Es una clara señal de que los electrones están en un régimen similar al de los fluidos".
Fuentes, créditos y referencias:
A. Aharon-Steinberg et al. Direct observation of vortices in an electron fluid. Nature, published online July 6, 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04794-y