Un nuevo hallazgo realizado por físicos en el MIT y en Israel muestra que, bajo ciertas condiciones especializadas, los electrones pueden atravesar una abertura estrecha en una pieza de metal más fácilmente de lo que la teoría tradicional dice que es posible.

Este flujo "superbalístico" se asemeja al comportamiento de los gases que fluyen a través de una abertura constreñida, sin embargo, tiene lugar en un fluido de electrones de mecánica cuántica, dice el profesor de física del MIT Leonid Levitov, quien es el autor principal de un artículo que describe el hallazgo que aparece esta semana en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias .

En estos estrechos pasillos, ya sea para gases que pasan a través de un tubo o electrones que se mueven a través de una sección de metal que se estrecha hasta un punto, resulta que cuanto más, mejor:grandes racimos de moléculas de gas, o grandes racimos de electrones, se mueven más rápido que los números más pequeños que pasan por el mismo cuello de botella.

El comportamiento parece paradójico. Es como si una multitud de personas que intentan atravesar una puerta a la vez descubren que pueden pasar más rápido que una persona que la atraviesa sola y sin obstáculos. Pero los científicos han sabido durante casi un siglo que esto es exactamente lo que sucede con los gases que pasan a través de una pequeña abertura. y el comportamiento se puede explicar de forma sencilla, física básica, Dice Levitov.

En un pasadizo de un tamaño determinado, si hay pocas moléculas de gas, pueden viajar sin obstáculos en línea recta. Esto significa que si se mueven al azar, la mayoría de ellos golpearán rápidamente la pared y rebotarán, perdiendo algo de su energía en la pared en el proceso y, por lo tanto, disminuyendo la velocidad cada vez que golpean. Pero con un lote más grande de moléculas, la mayoría de ellos chocarán con otras moléculas con más frecuencia de lo que chocarán contra las paredes. Las colisiones con otras moléculas son "sin pérdidas, "dado que se conserva la energía total de las dos partículas que chocan, y no se produce una desaceleración general. "Las moléculas en un gas pueden lograr a través de la 'cooperación' lo que no pueden lograr individualmente, " él dice.

A medida que aumenta la densidad de moléculas en un pasaje, el explica, "Llegas a un punto en el que la presión hidrodinámica por la que necesitas empujar el gas baja, aunque la densidad de las partículas aumenta ". En resumen, por extraño que parezca, el hacinamiento hace que las moléculas se aceleren.

Un fenómeno similar, los investigadores ahora informan, gobierna el comportamiento de los electrones cuando se precipitan a través de una pieza estrecha de metal, donde se mueven en un flujo similar a un fluido.

El resultado es que, a través de un suficientemente estrecho, constricción puntual en un metal, los electrones pueden fluir a una velocidad que excede lo que se había considerado un límite fundamental, conocido como límite balístico de Landauer. Debido a esto, el equipo ha calificado el nuevo efecto de flujo "superbalístico". Esto representa una gran caída en la resistencia eléctrica del metal, aunque es mucho menos de lo que se requeriría para producir la resistencia cero en los metales superconductores. Sin embargo, a diferencia de la superconductividad, que requiere temperaturas extremadamente bajas, el nuevo fenómeno puede tener lugar incluso a temperatura ambiente y, por lo tanto, puede ser mucho más fácil de implementar para aplicaciones en dispositivos electrónicos.

De hecho, el fenómeno en realidad aumenta a medida que aumenta la temperatura. En contraste con la superconductividad, Levitov dice:flujo superballístico "es asistido por la temperatura, en lugar de obstaculizarlo ".

A través de este mecanismo, Levitov dice:"podemos superar este límite que todo el mundo pensaba que era un límite fundamental sobre qué tan alta podría ser la conductancia. Hemos demostrado que uno puede hacerlo mejor que eso".

Dice que aunque este artículo en particular es puramente teórico, otros equipos ya han probado sus predicciones básicas de forma experimental. Mientras que la aceleración observada en los gases que fluyen en el caso análogo puede lograr una aceleración diez veces o más, Queda por ver si se pueden lograr mejoras de esa magnitud para la conductancia eléctrica. Pero incluso las reducciones modestas en la resistencia en algunos circuitos electrónicos podrían ser una mejora significativa, él dice.

"Este trabajo es cuidadoso, elegante, y sorprendente:todos los sellos distintivos de una investigación de muy alta calidad, "dice David Goldhaber-Gordon, profesor de física de la Universidad de Stanford que no participó en esta investigación. "En la ciencia, Siento que los fenómenos que confunden nuestras intuiciones siempre son útiles para ampliar nuestro sentido de lo que es posible. Aquí, la idea de que pueden pasar más electrones a través de una abertura si los electrones se desvían entre sí en lugar de viajar libremente e independientemente es bastante contradictoria, de hecho, lo contrario de lo que estamos acostumbrados. Es especialmente intrigante que Levitov y sus colaboradores encuentren que la conductancia en tales sistemas sigue una regla tan simple ".

Si bien este trabajo fue teórico, Goldhaber-Gordon agrega, "Probar las predicciones simples y sorprendentes de Levitov experimentalmente será realmente emocionante y plausible de lograr en el grafeno ... Los investigadores han imaginado la construcción de nuevos tipos de interruptores electrónicos basados ​​en el flujo de electrones balísticos. Las ideas teóricas de Levitov, si se valida experimentalmente, sería muy relevante para esta idea:el flujo superballístico podría permitir que estos interruptores funcionen mejor de lo esperado (o podría mostrar que no funcionarán como se esperaba) ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.