Los remolinos de electrones de tipo líquido podrían aprovecharse para la electrónica de baja potencia de próxima generación.
/ Christine Daniloff, MIT

Un equipo internacional de físicos observó por primera vez directamente electrones formando remolinos como un fluido. El estudio, publicado en Nature, podría ser la clave para desarrollar una electrónica de próxima generación más eficiente y rápida.

Cuando la electricidad atraviesa la mayoría de los metales y semiconductores ordinarios, los momentos y las trayectorias de los electrones en la corriente se ven influenciados por las impurezas del material y las vibraciones entre los átomos del material. Estos procesos dominan el comportamiento de los electrones en los materiales ordinarios.

Sin embargo, los físicos teóricos han predicho que en ausencia de tales procesos clásicos ordinarios, los efectos cuánticos deberían hacerse cargo. Es decir, los electrones deberían captar el delicado comportamiento cuántico de los demás y moverse colectivamente, como un fluido de electrones viscoso.

Este comportamiento similar a un líquido debería surgir en materiales ultralimpios y a temperaturas cercanas a cero. En 2017, un equipo liderado por Leonid Levitov, profesor del MIT, informó sobre un comportamiento de electrones similar a un fluido en el grafeno.

Observaron que una corriente enviada por el canal podía fluir a través de las constricciones con poca resistencia. Esto sugirió que los electrones en la corriente podrían pasar a través de los puntos de pellizco colectivamente, como un fluido, en lugar de obstruirse. 

El trabajo

Ahora, el profesor Levitov y físicos del Instituto Weizmann para la Ciencia buscaron visualizar vórtices de electrones. Se centraron en el ditelururo de tungsteno (WTe2), un compuesto metálico ultralimpio. Este compuesto exhibe propiedades electrónicas exóticas cuando se aísla en forma 2D de un solo átomo de espesor.

“El ditelururo de tungsteno es uno de los nuevos materiales cuánticos en los que los electrones interactúan fuertemente y se comportan como ondas cuánticas en vez de partículas”, señaló el profesor Levitov. “Además, el material es muy limpio, haciendo que el comportamiento fluido sea directamente accesible”, añadió.

Los investigadores sintetizaron monocristales puros de ditelururo de tungsteno y exfoliaron finas escamas del material. Luego utilizaron litografía por haz de electrones y técnicas de grabado con plasma para modelar un canal central conectado a una cámara a cada lado.

Después, grabaron el mismo patrón en finas escamas de oro, un metal estándar con propiedades electrónicas ordinarias y clásicas. Esta parte del experimento sirvió como control.

Resultados

Posteriormente, hicieron pasar una corriente a través de cada muestra modelada a temperaturas ultrabajas de 4,5 K (-269 grados Celsius). A continuación, midieron el flujo de corriente en puntos específicos a lo largo de cada muestra. Para esto emplearon un dispositivo de interferencia cuántica superconductora de exploración a nanoescala (SQUID) en una punta.

Los autores observaron que los electrones que fluían a través de canales estampados en hojuelas de oro lo hacían sin invertir la dirección. Esto, incluso cuando parte de la corriente pasaba por cada cámara lateral antes de volver a unirse con la corriente principal.

En contraste, los electrones del ditelururo de tungsteno fluyeron a través del canal y se arremolinaron en cada cámara lateral. Un comportamiento similar al agua cuando se vacía en un recipiente. Los electrones crearon pequeños remolinos en cada cámara antes de regresar al canal principal.

“Es muy sorprendente, y es la misma física que en los fluidos ordinarios, solo que con electrones a nanoescala. Esto nos demuestra que los electrones están en un régimen similar al de un fluido”, afirmó Levitov. 

Cabe recordar que este experimento se realizó a temperaturas ultra frías con un material especializado y en un laboratorio. Aun así confirma que los electrones pueden comportarse como un fluido, y el avance nos ayudará a comprender mejor cómo aprovechar ese potencial en los dispositivos electrónicos.