Los electrones fluyen a través de la mayoría de los materiales más como un gas que como un fluido, lo que significa que no interactúan mucho entre sí. Durante mucho tiempo se planteó la hipótesis de que los electrones podían fluir como un fluido, pero solo los avances recientes en materiales y técnicas de medición permitieron observar estos efectos en materiales 2D. En 2020, los laboratorios de Amir Yacoby, Profesor de Física y Física Aplicada en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, Philip Kim, Profesor de Física y Profesor de Física Aplicada en Harvard y Ronald Walsworth, anteriormente del Departamento de Física de Harvard, fueron de los primeros en imaginarse los electrones fluyendo en el grafeno como el agua fluye a través de una tubería.

Los hallazgos proporcionaron una nueva caja de arena en la que explorar las interacciones de los electrones y ofrecieron una nueva forma de controlar los electrones, pero solo en materiales bidimensionales. La hidrodinámica electrónica en materiales tridimensionales siguió siendo mucho más esquiva debido a un comportamiento fundamental de los electrones en los conductores conocido como apantallamiento. Cuando hay una alta densidad de electrones en un material, como en la conducción de metales, los electrones están menos inclinados a interactuar entre sí.

Investigaciones recientes sugirieron que el flujo de electrones hidrodinámico en conductores 3D era posible, pero se desconoce exactamente cómo sucedió o cómo observarlo. Hasta ahora.

Un equipo de investigadores de Harvard y MIT desarrolló una teoría para explicar cómo podría ocurrir el flujo de electrones hidrodinámicos en materiales 3D y lo observó por primera vez utilizando una nueva técnica de imagen.

La investigación se publica en Física de la naturaleza .

"Esta investigación proporciona una vía prometedora para la búsqueda de flujo hidrodinámico e interacciones de electrones prominentes en materiales de alta densidad de portadores, "dijo Prineha Narang, Profesor asistente de ciencia de materiales computacionales en SEAS y autor principal del estudio.

El flujo de electrones hidrodinámico se basa en interacciones fuertes entre electrones, al igual que el agua y otros fluidos dependen de fuertes interacciones entre sus partículas. Para fluir de manera eficiente, los electrones en materiales de alta densidad se organizan de tal manera que limitan las interacciones. Es la misma razón por la que los bailes grupales como el tobogán eléctrico no implican mucha interacción entre los bailarines, con tanta gente, es más fácil para todos hacer sus propios movimientos.

"Hasta la fecha, Los efectos hidrodinámicos se han deducido principalmente de las mediciones de transporte, que mezcla eficazmente las firmas espaciales, ", dijo Yacoby." Nuestro trabajo ha trazado un camino diferente en la observación de esta danza y la comprensión de la hidrodinámica en sistemas más allá del grafeno con nuevas sondas cuánticas de correlaciones de electrones ".

Los investigadores propusieron que, en lugar de interacciones directas, los electrones en materiales de alta densidad podrían interactuar entre sí a través de las vibraciones cuánticas de la red atómica, conocidos como fonones.

"Podemos pensar en las interacciones mediadas por fonones entre electrones imaginando a dos personas saltando en un trampolín, que no se impulsan entre sí directamente, sino a través de la fuerza elástica de los resortes, "dijo Yaxian Wang, becaria postdoctoral en el NarangLab de SEAS y coautora del estudio.

Para observar este mecanismo, los investigadores desarrollaron una nueva sonda de exploración criogénica basada en el defecto de vacancia de nitrógeno en el diamante, que tomó imágenes del campo magnético local de un flujo de corriente en un material llamado ditelurida de tungsteno semimetálica en capas.

"Nuestro diminuto sensor cuántico es sensible a pequeños cambios en el campo magnético local, permitiéndonos explorar la estructura magnética en un material directamente, "dijo Uri Vool, John Harvard, distinguido investigador científico y coautor principal del estudio.

Los investigadores no solo encontraron evidencia de flujo hidrodinámico dentro de la ditelurida de tungsteno tridimensional, sino que también encontraron que el carácter hidrodinámico de la corriente depende en gran medida de la temperatura.

"El flujo hidrodinámico ocurre en un régimen estrecho donde la temperatura no es demasiado alta ni demasiado baja, por lo que la capacidad única de escanear en un amplio rango de temperatura fue crucial para ver el efecto, "dijo Assaf Hamo, becario postdoctoral en el laboratorio de Yacoby y coautor principal del estudio.

"La capacidad de crear imágenes y diseñar estos flujos hidrodinámicos en conductores tridimensionales en función de la temperatura, abre la posibilidad de lograr una electrónica casi sin disipación en dispositivos a nanoescala, además de proporcionar nuevos conocimientos sobre la comprensión de las interacciones electrón-electrón, "dijo Georgios Varnavides, estudiante de doctorado en el NarangLab de SEAS y uno de los autores principales del estudio. "La investigación también allana el camino para explorar el comportamiento de fluidos no clásico en el flujo de electrones hidrodinámicos, como los vórtices de estado estacionario ".

"Este es un campo emocionante e interdisciplinario que sintetiza conceptos desde la materia condensada y la ciencia de los materiales hasta la hidrodinámica computacional y la física estadística, ", dijo Narang. En investigaciones anteriores, Varnavides y Narang clasificaron diferentes tipos de comportamientos hidrodinámicos que podrían surgir en materiales cuánticos donde los electrones fluyen colectivamente.