Cuando los electrones fluyen a través de un conductor, como los cables de cobre en los cargadores de nuestros teléfonos o los chips de silicio en las placas de circuito de nuestras computadoras portátiles, chocan con las impurezas materiales y entre sí en un diminuto frenesí atómico. Su interacción con las impurezas es bien conocida.

Todavía, Si bien comprender cómo los electrones interactúan entre sí es fundamental para comprender la física, medir la fuerza de estas interacciones ha demostrado ser un desafío complicado para los físicos.

Un equipo dirigido por investigadores de Virginia Tech ha descubierto que al crear un conjunto específico de condiciones, podían cuantificar las interacciones electrón-electrón con mayor precisión que nunca. Sus hallazgos amplían las teorías físicas existentes y se pueden aplicar para mejorar los dispositivos electrónicos y las computadoras cuánticas. Recientemente publicaron sus hallazgos en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Para estudiar cómo interactúan los electrones, el equipo fabricó pequeños dispositivos que crearían un haz de electrones. Necesitaban tres condiciones específicas para obtener los resultados:bajas temperaturas, un campo magnético para hacer que los electrones giren en órbitas, y materiales ultrapuros proporcionados por colaboradores de Purdue University. Su objetivo:ver qué tan lejos viajarían los electrones en sus órbitas antes de encontrar otros electrones y dispersarse. Como el dispositivo estaba hecho de materiales ultrapuros, el equipo sabía que no había otras variables que pudieran causar la dispersión; podían presenciar la interacción de los electrones sin ninguna variable de confusión.

"Lo que suele ocurrir en un semiconductor impuro es que los electrones sufren tantas colisiones con impurezas que básicamente nunca se sabe qué están haciendo realmente las interacciones electrón-electrón, "dijo Jean Heremans, profesor del Departamento de Física de la Facultad de Ciencias. "Pero cuando eliminas esas impurezas, te quedas con un material ultrapuro, y de repente esas interacciones electrón-electrón se hacen evidentes. Nos sorprendió un poco que fuera un efecto tan grande, que pudiéramos usarlo para cuantificar las interacciones de los electrones ".

Sin embargo, esta no fue la única sorpresa que encontró el equipo. Los científicos han descubierto recientemente que en ciertos materiales y condiciones, grupos de electrones fluyen colectivamente y se comportan de manera similar a un líquido. Usando computadoras de alta potencia, colaboradores del proyecto en el Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York, simuló cómo fluía el grupo de electrones. Sus imágenes revelaron que los electrones fluían en vórtices, como remolinos, un comportamiento que aún no se ha documentado en presencia de un campo magnético.

"Los remolinos realmente persisten incluso si las interacciones entre los electrones son muy débiles, "dijo Adbhut Gupta, el autor principal del estudio y un Ph.D. candidato en el laboratorio de Heremans. "En este punto, no se sabe mucho sobre este comportamiento colectivo en el límite de interacción débil. Es un fenómeno nuevo uno que una sola partícula no habría mostrado. El nuestro es el primer experimento que insinúa este tipo de comportamiento colectivo ".

También trabajó en el estudio Gitansh Kataria, estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Bradley, parte de la Facultad de Ingeniería de Virginia Tech.

Los descubrimientos del equipo podrían ser fundamentales para ayudar a los científicos a repensar algunas de las teorías físicas más fundamentales. como la teoría líquida de Fermi, que describe el estado normal de los metales a bajas temperaturas.

"Lo que encontramos es que esas teorías se obedecen pero solo de manera aproximada. Vimos desviaciones de las expectativas teóricas, "dijo Heremans." Eso es interesante porque si todo está de acuerdo con la teoría, ¿Por qué es necesario hacer experimentos para empezar? No es que tengamos que estar completamente de acuerdo, pero tenemos que entender lo que falta en la teoría ".

Los resultados de este estudio podrían aplicarse para ayudar a mejorar la electrónica, como sensores y dispositivos de telecomunicaciones, Dijo Heremans. Más, esta investigación podría ayudar a promover el campo de vanguardia de la computación cuántica, parte del cual se basa en interacciones electrón-electrón para formar nuevos estados cuánticos. Comprender el comportamiento de los electrones permitirá a los físicos aprovechar completamente el poder de los electrones en nuevas innovaciones y aplicaciones.