En un nuevo estudio, Los científicos del Instituto Indio de Ciencia (IISc) han demostrado experimentalmente la existencia de dos especies de pocas burbujas de electrones (FEB) en el helio superfluido por primera vez. Estos FEB pueden servir como un modelo útil para estudiar cómo los estados de energía de los electrones y las interacciones entre ellos en un material influyen en sus propiedades.

El equipo incluía a Neha Yadav, un ex Ph.D. estudiante del Departamento de Física, Prosenjit Sen, Profesor asociado en el Centro de Nano Ciencia e Ingeniería (CeNSE) y Ambarish Ghosh, Profesor en CeNSE. El estudio fue publicado en Avances de la ciencia .

Un electrón inyectado en una forma superfluida de helio crea una burbuja de un solo electrón (SEB), una cavidad que está libre de átomos de helio y contiene solo el electrón. La forma de la burbuja depende del estado energético del electrón. Por ejemplo, la burbuja es esférica cuando el electrón está en el estado fundamental (1S). También hay MEB, múltiples burbujas de electrones que contienen miles de electrones.

FEB, por otra parte, son cavidades del tamaño de un nanómetro en helio líquido que contienen solo un puñado de electrones libres. El número, El estado y las interacciones entre los electrones libres dictan las propiedades físicas y químicas de los materiales. Estudiando FEB, por lo tanto, podría ayudar a los científicos a comprender mejor cómo surgen algunas de estas propiedades cuando algunos electrones presentes en un material interactúan entre sí. Según los autores, comprender cómo se forman los FEB también puede proporcionar información sobre el autoensamblaje de materiales blandos, que puede ser importante para el desarrollo de materiales cuánticos de próxima generación. Sin embargo, Los científicos solo han predicho teóricamente la existencia de FEB hasta ahora. "Ahora hemos observado de forma experimental los FEB por primera vez y hemos entendido cómo se crean, "Dice Yadav." Estos son buenos objetos nuevos con grandes implicaciones si podemos crearlos y atraparlos ".

Yadav y sus colegas estaban estudiando la estabilidad de los MEB en tamaños nanométricos cuando observaron por casualidad los FEB. Inicialmente, ambos estaban eufóricos y escépticos. "Fueron necesarios una gran cantidad de experimentos antes de que estuviéramos seguros de que estos objetos eran realmente FEB. Entonces, sin duda, fue un momento tremendamente emocionante, "dice Ghosh.

Los investigadores primero aplicaron un pulso de voltaje a una punta de tungsteno en la superficie del helio líquido. Luego generaron una onda de presión en la superficie cargada usando un transductor ultrasónico. Esto les permitió crear 8EB y 6EB, dos especies de FEB que contienen ocho y seis electrones respectivamente. Se descubrió que estos FEB son estables durante al menos 15 milisegundos (los cambios cuánticos generalmente ocurren en escalas de tiempo mucho más cortas), lo que permitiría a los investigadores atraparlos y estudiarlos.

"Los FEB forman un sistema interesante que tiene tanto interacción electrón-electrón como interacción electrón-superficie, "Explica Yadav.

Hay varios fenómenos que los FEB pueden ayudar a los científicos a descifrar, tales como flujos turbulentos en superfluidos y fluidos viscosos, o el flujo de calor en helio superfluido. Al igual que la corriente fluye sin resistencia en materiales superconductores a muy bajas temperaturas, El helio superfluido también conduce el calor de manera eficiente a temperaturas muy bajas. Pero defectos en el sistema, llamados vórtices, puede reducir su conductividad térmica. Dado que los FEB están presentes en el núcleo de dichos vórtices, como han descubierto los autores en este estudio, pueden ayudar a estudiar cómo los vórtices interactúan entre sí, así como el calor que fluye a través del helio superfluido.

"En el futuro inmediato, nos gustaría saber si hay alguna otra especie de FEB, y comprender los mecanismos por los cuales algunos son más estables que otros, "Dice Ghosh." A largo plazo, nos gustaría utilizar estos FEB como simuladores cuánticos, para lo cual es necesario desarrollar nuevos tipos de esquemas de medición ".