Un equipo internacional de físicos ha observado cómo los electrones fluyen en vórtices, un rasgo distintivo del flujo de fluidos que los teóricos predijeron que debían presentar los electrones, pero que nunca se había visto hasta ahora.

Los vórtices de electrones podrían aprovecharse para la electrónica de bajo consumo de última generación. Crédito de la imagen: Christine Daniloff, MIT.

Los vórtices de electrones podrían aprovecharse para la electrónica de bajo consumo de última generación. Crédito de la imagen: Christine Daniloff, MIT.

Cuando la electricidad pasa 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 control.

En concreto, los electrones deberían captar el delicado comportamiento cuántico de los demás y moverse colectivamente, como un fluido electrónico viscoso y meloso.

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 Mánchester informaron de las firmas de este comportamiento electrónico similar al de los fluidos 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 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 un solo átomo en 2D.

«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», dijo 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 modelar 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 ordinarias y 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 a nanoescala (SQUID) en una punta.

Utilizando el dispositivo para escanear cada muestra, pudieron observar en detalle cómo los electrones fluían a través de los canales modelados en cada material.

Los autores observaron que los electrones que fluían a través de 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 a través del ditellururo de tungsteno lo hacían a través del 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 la dirección del flujo invertía el sentido 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 en la nanoescala. Es una firma clara de que los electrones están en un régimen similar al de los fluidos».

Los resultados aparecen hoy en la revista Nature.

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A. Aharon-Steinberg et al. Observación directa de vórtices en un fluido de electrones. Naturaleza, publicado en línea el 6 de julio de 2022; doi: 10.1038/s41586-022-04794-y

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