“Ver para creer”, con este viejo refrán se expresa Leonid Levitov, profesor de Física del Instituto de Tecnología de Massachussets (MIT). Por fin los físicos han visto aquello que sospechaban: que los electrones forman remolinos. Un supuesto teórico que, por primera vez, queda confirmado por la experiencia. Estas observaciones, que habían sido prepublicadas en febrero, ven la luz definitivamente este miércoles en la revista Nature tras haber sido revisadas por expertos independientes.
Es sabido que las partículas separadas (discretas, en jerga física) se comporten colectivamente. Ocurre, por ejemplo, con las moléculas de agua, que fluyen en forma líquida formando corrientes, ondas, remolinos… La teoría preveía que los electrones –partículas subatómicas con carga negativa– también se comportasen así cuando están en libertad. El problema es que los electrones raramente están libres de influencias externas: forman la corriente eléctrica y son tan pequeños que, al atravesar metales –como cuando discurren por un cable de cobre– estos les imponen un comportamiento determinado.
Sin embargo, en ciertos materiales y bajo condiciones específicas, estos efectos desaparecen y los electrones pueden influirse directamente entre sí. En estos casos pueden fluir colectivamente, como un líquido. Una primera confirmación de esta afirmación llegó en 2017, cuando se consiguió observar electrones discurriendo como un fluido en contacto con una placa de grafeno.
Ahora, físicos del MIT y del Instituto Weizmann de Ciencias han ido un paso más allá y han observado que los electrones no solo pueden fluir en direcciones diversas, sino que además lo hacen también en vórtices o remolinos, una característica del flujo de fluidos que los teóricos predijeron que debían presentar estas partículas, pero que nunca había sido observada. “Los vórtices de electrones estaban previstos en la teoría, pero no ha habido ninguna prueba directa, y ver es creer. Ahora lo hemos visto, y es una muestra clara de este nuevo régimen en el que los electrones se comportan como un fluido, no como partículas individuales”, dice Leonid Levitov, profesor de física del MIT, en el comunicado de prensa de la institución.
Los vórtices de electrones estaban previstos en la teoría, pero no ha habido ninguna prueba directa, y ver es creer. Ahora lo hemos visto
“Sabemos que cuando los electrones se comportan como un fluido, la disipación [de energía] disminuye, y eso es interesante para tratar de diseñar una electrónica de bajo consumo. Esta nueva observación es un paso más en esa dirección”, añade. Levitov es coautor del nuevo trabajo, junto con Eli Zeldov y otros del Instituto Weizmann de Ciencias de Israel y la Universidad de Colorado en Denver.
Un fluido similar a la miel
Cuando la electricidad atraviesa la mayoría de los metales y semiconductores ordinarios, los momentos –la velocidad de rotación de las partículas sobre sí mismas– y las trayectorias de los electrones en la corriente están influidos por las impurezas del material y las vibraciones entre los átomos del mismo. Estos procesos dominan el comportamiento de los electrones en los materiales ordinarios.
Pero los teóricos han predicho que, en ausencia de estos procesos ordinarios y clásicos, los efectos cuánticos deberían tomar el relevo. Es decir, los electrones deberían captar el delicado comportamiento cuántico de los demás y moverse colectivamente, como un fluido de electrones viscoso y similar a la miel. Este comportamiento similar al de un líquido debería surgir en materiales ultraligeros y a temperaturas cercanas a cero.
En 2017, Levitov y sus colegas de la Universidad de Mánchester informaron de la existencia de este comportamiento fluido de los electrones en el grafeno, una lámina atómica de carbono en la que grabaron un fino canal. Observaron que una corriente enviada a través del canal podía fluir. Esto sugería que los electrones de la corriente eran capaces de atravesar ciertos puntos colectivamente, como un fluido, en lugar de atascarse, como los granos de arena individuales.
Este primer indicio llevó a Levitov a explorar otros fenómenos de fluidos de electrones. En el nuevo estudio, él y sus colegas del Instituto Weizmann para la Ciencia trataron de visualizar los vórtices de electrones. Como escribieron entonces en su artículo, “la característica más llamativa y omnipresente en el flujo de los fluidos regulares, la formación de vórtices y turbulencias, aún no se ha observado en los fluidos de electrones a pesar de las numerosas predicciones teóricas”, señala el MIT en su nota de prensa.
Canalizar el flujo de electrones
Para visualizar los vórtices de electrones, el equipo se fijó en el ditelururo de tungsteno (WTe2), un compuesto semimetálico ultraligero que cuando se aísla en la forma bidimensional de un solo átomo, presenta propiedades electrónicas exóticas (es decir, diferentes de las que predicen las leyes de la física).
“El ditelururo de wolframio es uno de los nuevos materiales cuánticos en los que los electrones interactúan fuertemente y se comportan como ondas cuánticas en lugar de partículas”, afirma Levitov. “Además, el material es muy limpio, lo que hace que el comportamiento similar al de los fluidos sea directamente accesible”.
Los investigadores sintetizaron cristales puros de ditelururo de tungsteno y exfoliaron finas escamas del material. A continuación, utilizaron técnicas de litografía de haz electrónico y de grabado por plasma para crear un patrón de cada escama en un canal central conectado a un pequeño espacio con forma de cámara circular a cada lado. Grabaron el mismo patrón en finas escamas de oro, un metal estándar con propiedades electrónicas clásicas.
A continuación, hicieron pasar una corriente a través de cada muestra estampada a temperaturas ultrabajas de 4,5 kelvins (unos -269 grados centígrados) y midieron el flujo de corriente en puntos específicos de cada muestra, utilizando un dispositivo superconductor de interferencia cuántica (SQUID-on-tip o SOT, en sus siglas inglesas). Este dispositivo fue desarrollado en el laboratorio de Zeldov y mide los campos magnéticos con una precisión extremadamente alta. Utilizando el dispositivo para escanear cada muestra, el equipo pudo observar con detalle cómo fluían los electrones a través de los canales modelados en cada material.
Pequeños remolinos
Los investigadores observaron que los electrones que fluían a través de los canales estampados en las escamas de oro lo hacían sin invertir su dirección, incluso cuando parte de la corriente pasaba por cada cámara lateral antes de unirse de nuevo a la corriente principal.
Por el contrario, los electrones que fluían por el ditelururo de tungsteno lo hacían por el canal y se arremolinaban en cada cámara lateral, de forma parecida a como lo haría el agua al vaciarse en un cuenco. Los electrones crearon pequeños remolinos en cada cámara antes de volver a fluir hacia el canal principal.
“Observamos un cambio en la dirección del flujo en las cámaras, donde el sentido del flujo invertía la dirección en comparación con el de la franja central”, dice Levitov. “Es algo muy llamativo, y se trata de la misma física que en los fluidos ordinarios, pero que ocurre con los electrones en la nanoescala. Es una muestra clara de que los electrones están en un régimen similar al de los fluidos”.
Las observaciones del grupo son la primera visualización directa de los remolinos en una corriente eléctrica. Los hallazgos representan una confirmación experimental de una propiedad fundamental en el comportamiento de los electrones. También pueden ofrecer pistas sobre cómo los ingenieros podrían diseñar dispositivos de bajo consumo que conduzcan la electricidad de forma más fluida y con menor resistencia.