Casualidades. Un equipo de investigadores se llevó una sorpresa mientras estudiaba un material superconductor. El movimiento de los electrones en este metal fluye de la misma forma que lo haría el agua en un tubo. Los detalles fueron publicados en Nature Communications.
El superconductor metálico, una aleación de niobio y germanio (NbGe2), presenta una fuerte interacción entre electrones y fonones. Estas son vibraciones de estructura cristalina, cuando “paquetes” de átomos o moléculas vibran de manera colectiva, lo que explica la difusión de calor y sonido, por ejemplo.
“Queríamos probar una predicción teórica reciente del ‘fluido electrón-fonón’”, explicó el profesor Fazel Tafti del Boston College. “Normalmente los electrones son rebotados por los fonones, conduciendo así al movimiento difusivo habitual de los electrones en los metales”, agregó.
Una nueva teoría muestra que cuando los electrones interactúan fuertemente con los fonones, se forma un líquido cohesivo de electrones y fonones. Este nuevo líquido fluye hacia el metal “de la misma manera que el agua hacia una tubería”, explica Tafti.
El estudio
Nuestra vida diaria depende del flujo de agua en las tuberías y de los electrones en los cables. Sin embargo, por muy similares que puedan parecer, los dos fenómenos son fundamentalmente diferentes.
Las moléculas de agua fluyen como un continuo de fluido, obedeciendo las leyes de la hidrodinámica más que como moléculas individuales. Los electrones, en cambio, fluyen como partículas individuales y se difunden en los metales cuando chocan y son dispersados por fonones, las vibraciones de la red cristalina.
Con el objetivo de analizar la conducción de electricidad en NbGe2, el equipo aplicó 3 métodos experimentales. Primero midió la resistividad eléctrica que mostró una masa mayor a la esperada para los electrones.
Luego, la dispersión Raman mostró un cambio de comportamiento en la vibración del cristal debido a este flujo especial de electrones. Finalmente, la difracción de rayos X reveló la estructura cristalina del material.
Electrones pesados
Usando una técnica conocida como “oscilaciones cuánticas” para evaluar la masa de electrones en el material, los autores descubrieron que la masa en todas las trayectorias era tres veces mayor que el valor esperado.
“Esto fue muy sorprendente porque no esperábamos ‘electrones tan pesados’ en un metal aparentemente simple”, dijo Tafti. “Con el tiempo, llegamos a entender que la fuerte interacción electrón-fonón era responsable del comportamiento del electrón pesado”.
A medida que los electrones interactúan fuertemente con las vibraciones de la red, o fonones, son “arrastrados” a través de la red. Al final parece ser que los electrones ganaron masa y se volvieron más pesados .
Dispositivos electrónicos
El experimento confirma las predicciones de los teóricos y mejora la comprensión de los superconductores. Además, debería estimular una mayor exploración del material y sus posibles aplicaciones; ya se sabía que la luz se comporta de igual forma como un líquido.
El siguiente paso será encontrar otros materiales en este régimen hidrodinámico, aprovechando las interacciones electrón-fonón. El equipo aseguró que también se centrará en controlar el fluido hidrodinámico de electrones en estos materiales y diseñar nuevos dispositivos electrónicos para aprovecharlo.