La resistencia eléctrica es un concepto simple:más bien como la fricción que ralentiza un objeto que rueda sobre una superficie, La resistencia ralentiza el flujo de electrones a través de un material conductor. Pero dos físicos han descubierto que los electrones a veces pueden cooperar para activar la resistencia en su cabeza, produciendo vórtices y reflujo de corriente eléctrica.

La predicción de "resistencia negativa" es solo uno de un conjunto de efectos extraños y contradictorios parecidos a los fluidos que se encuentran bajo ciertas circunstancias exóticas, que involucra sistemas de partículas que interactúan fuertemente en una hoja de grafeno, una forma bidimensional de carbono. Los hallazgos se describen en un artículo que aparece hoy en la revista. Física de la naturaleza , por el profesor de física del MIT Leonid Levitov y Gregory Falkovich, profesor del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel.

Los electrones en el grafeno se mueven de una manera perfectamente coordinada, en muchos aspectos se asemeja al movimiento de fluidos viscosos a través de un tubo donde se ven fuertemente afectados por turbulencias y vórtices. Esto se debe a interacciones que producen una respuesta de campo de corriente de largo alcance, bastante diferente del simple comportamiento "individualista" esperado en circunstancias ordinarias, cuando los electrones se mueven en línea recta como pinballs que rebotan entre los iones, como lo describe la ley de Ohm, dicen los investigadores.

La noción de viscosidad electrónica se había sugerido antes en teoría, pero había resultado difícil de probar porque nadie había encontrado una forma de observar directamente tales fenómenos. Ahora, Levitov y Falkovich dicen que han descubierto un conjunto de signos que pueden servir como indicador de tales efectos colectivos en los flujos de electrones.

Este trabajo es "una aplicación notable de conocimientos teóricos para la predicción de un nuevo efecto observable experimentalmente, "dice Subir Sachdev, un profesor de física en la Universidad de Harvard que no participó en este trabajo. Dice que esta idea es "muy significativa y abre un nuevo capítulo en el estudio del flujo de electrones en los metales".

Un sistema de referencia

"Siempre hubo una especie de dicotomía entre lo que es fácil de hacer en teoría y lo que es fácil de hacer en los experimentos, ", Dice Levitov." Hubo una búsqueda de un sistema ideal con el que los experimentadores pudieran trabajar fácilmente y que también fuera un sistema de referencia con fuertes interacciones que mostraran fuertes fenómenos interactivos ". él dice, el grafeno proporciona muchas de las cualidades codiciadas de dicho sistema.

Sobre una superficie de grafeno Levitov dice:"tienes electrones que se comportan como partículas relativistas acopladas por interacciones que son de largo alcance y bastante fuertes". Con una posible excepción de fluidos exóticos como los plasmas de quark-gluones, él dice, el grafeno puede estar más cerca de la noción de un fluido perfecto "que interactúa fuertemente, "un concepto teórico importante en física cuántica, que cualquier otro sistema que conocemos actualmente.

El comportamiento colectivo de los portadores de carga en estos sistemas que interactúan fuertemente es bastante peculiar. "De hecho, no es tan diferente de la mecánica de fluidos, ", Dice Levitov. La forma en que se mueven los fluidos se puede calcular" con muy poco conocimiento de cómo interactúan los átomos individuales del líquido. No nos importan mucho "los movimientos individuales; es el comportamiento colectivo lo que importa en tales situaciones, él dice.

En el entorno del grafeno, efectos cuánticos, que son normalmente insignificantes a escalas mayores que la de las partículas individuales, jugar un papel dominante, él dice. En esta configuración, "Demostramos que [la forma en que se mueven los portadores de carga] tiene un comportamiento colectivo similar al de otros fluidos que interactúan fuertemente, como el agua."

¿Cómo detectarlo?

Pero si bien eso es cierto en teoría, él dice, "La pregunta es, incluso si lo tenemos ", es decir, este comportamiento similar al de un fluido:"¿cómo lo detectamos? A diferencia de los fluidos ordinarios, donde puede rastrear directamente el flujo colocando algunas cuentas en él, por ejemplo, en este sistema no tenemos una forma de ver el flujo directamente ". Pero debido a la estructura bidimensional del grafeno, mientras los electrones se mueven a través del material, "podemos obtener información de las mediciones eléctricas" realizadas desde el exterior, donde es posible colocar sondas en cualquier punto de la hoja.

El nuevo enfoque se basa en el hecho de que "si tiene un flujo viscoso, esperas que las diferentes partes del líquido se arrastren unas sobre otras y produzcan remolinos. Crearán un flujo que arrastrará las partículas vecinas y conducirá un vórtice, "Dice Levitov. Específicamente, un flujo directo en medio de una cinta de grafeno estará acompañado por remolinos que se desarrollan a lo largo de los lados. En esos remolinos los electrones pueden fluir en la dirección opuesta a la del campo eléctrico aplicado, lo que resulta en lo que los físicos denominan resistencia negativa.

Si bien los remolinos en sí no se pueden observar directamente, el movimiento hacia atrás del flujo de electrones en ciertas partes del material se puede medir y comparar con las predicciones teóricas.

Si bien Levitov y Falkovich no han llevado a cabo personalmente tales experimentos, Levitov dice que algunos hallazgos enigmáticos recientes parecen encajar en el patrón predicho. En un experimento que se acaba de informar, dice que "los investigadores vieron algo similar, donde el voltaje en el lado se vuelve negativo. Es muy tentador decir "que lo que vieron es una manifestación de los fenómenos predichos por este trabajo".

No solo analogía

La comparación del comportamiento de los electrones en el grafeno con la dinámica de fluidos "no es solo una analogía, sino una correspondencia directa, "Dice Levitov. Pero hay diferencias importantes, incluyendo el hecho de que este fluido tiene carga eléctrica, por lo que no se comporta exactamente como el agua que fluye en una tubería, sino de una manera similar a algunos plasmas, que son esencialmente nubes de partículas cargadas.

Debido a que este es un trabajo en una etapa temprana, Levitov dice:es demasiado pronto para saber si alguna vez tendrá aplicaciones prácticas. Pero una implicación sorprendente de este trabajo es que el transporte de calor puede acoplarse fuertemente al transporte de carga. Es decir, el calor puede viajar por encima del flujo de carga y propagarse en forma de onda mucho más rápido que en condiciones normales, quizás hasta de 10 a 100 veces más rápido. Este comportamiento, si se logra, podría aprovecharse en algún momento, quizás en dispositivos de detección con tiempos de respuesta muy rápidos, especula.

Andre Geim, un profesor de física de la materia condensada en la Universidad de Manchester en el Reino Unido que no participó en este trabajo, dice, "Es una teoría brillante, lo que concuerda muy bien con nuestros hallazgos experimentales recientes ". Esos experimentos, él dice, "detectó los vórtices predichos por el grupo de Levitov y mostró que el electrón líquido en el grafeno era 100 veces más viscoso que la miel, contrariamente a la creencia universal de que los electrones se comportan como un gas ".

Geim agrega que el grafeno se está utilizando cada vez más en una variedad de aplicaciones, y dice, "Los ingenieros electrónicos no pueden utilizar realmente el material sin una comprensión de sus propiedades electrónicas. Ya sea que sus electrones se muevan como balas o naden en melaza creando remolinos, obviamente hace una gran diferencia".

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.