Após anos de pesquisa, físicos observam o fluxo de elétrons em redemoinhos semelhantes a fluidos: WebCuriosos
Pela primeira vez, os físicos testemunharam algo incrivelmente emocionante: elétrons formando redemoinhos como um fluido.
Este comportamento é algo que os cientistas previram há muito tempo, mas nunca observaram antes. E pode ser a chave para o desenvolvimento de produtos eletrónicos de próxima geração mais eficientes e rápidos.
“Vórtices de elétrons são esperados em teoria, mas não há nenhuma prova direta, e ver para crer”, diz um dos pesquisadores por trás do novo estudo, o físico Leonid Levitov, do MIT.
“Agora vimos isso, e é uma assinatura clara de estarmos neste novo regime, onde os elétrons se comportam como um fluido, não como partículas individuais.”
Embora os elétrons fluindo em um vórtice possam não parecer tão inovadores, isso é um grande problema porque fluir como um fluido resulta em mais energia sendo entregue ao ponto final, em vez de ser perdida no caminho enquanto os elétrons são empurrados por coisas como impurezas no material ou vibrações nos átomos.
“Sabemos quando os elétrons entram em estado fluido, [energy] a dissipação cai, e isso é interessante na tentativa de projetar eletrônicos de baixa potência, “diz Levitov. “Esta nova observação é mais um passo nessa direção.”
O trabalho foi um experimento conjunto entre o MIT, o Instituto Weizmann de Ciência de Israel e a Universidade do Colorado em Denver.
Claro, já sabemos que os elétrons podem ricochetear uns nos outros e fluir sem resistência em supercondutores, mas isso é o resultado da formação de algo conhecido como 'Pares de Cooper', e não é um exemplo verdadeiro de elétrons fluindo coletivamente como um fluido.
Veja a água, por exemplo. As moléculas de água são partículas individuais, mas viajam como uma só, de acordo com os princípios da dinâmica dos fluidos, transportando-se umas às outras através de uma superfície, formando correntes e redemoinhos à medida que avançam.
Uma corrente elétrica deveria essencialmente ser capaz de fazer o mesmo, mas qualquer comportamento coletivo de elétrons é geralmente anulado por impurezas e vibrações em metais normais e até mesmo em semicondutores. Essas 'distrações' empurram os elétrons enquanto viajam e os impedem de exibir um comportamento semelhante ao de um fluido.
Há muito que se previu que dentro de materiais especiais a temperaturas próximas de zero, estas interferências deveriam desaparecer, permitindo que os electrões se movessem como um fluido… mas o problema é que ninguém tinha sido capaz de provar que este era o caso, até agora.
Existem duas características fundamentais de um fluido: fluxo linear, onde todas as partículas separadas fluem em paralelo como uma só; e a formação de vórtices e redemoinhos.
O primeiro foi observado por Levitov e colegas da Universidade de Manchester em 2017 usando grafeno. Em folhas de carbono da espessura de um átomo, Levitov e sua equipe mostraram que uma corrente elétrica poderia fluir através de um ponto de compressão como um fluido, em vez de como grãos de areia.
Mas ninguém tinha visto o segundo longa. “A característica mais marcante e onipresente no fluxo de fluidos regulares, a formação de vórtices e turbulência, ainda não foi observada em fluidos de elétrons, apesar de numerosas previsões teóricas,” os pesquisadores escrevem.
Para descobrir isso, a equipe utilizou cristais únicos e puros de um material ultralimpo conhecido como ditelureto de tungstênio (WTe2) e flocos finos de um único átomo cortados.
Eles então gravaram um padrão em um canal central com uma câmara circular em cada lado, criando um “labirinto” por onde uma corrente elétrica passaria. Eles gravaram o mesmo padrão em flocos de ouro, que não tem as mesmas propriedades ultralimpas do ditelureto de tungstênio e, portanto, atuou como controle.
Acima: O diagrama à esquerda mostra como os elétrons fluíram no experimento em flocos de ouro (Au). A imagem à direita mostra uma simulação de como eles esperariam que os elétrons semelhantes a fluidos se comportassem.
Depois de resfriar o material a cerca de -269 graus Celsius (4,5 Kelvin ou -451,57 Fahrenheit), eles passaram uma corrente elétrica através dele e mediram o fluxo em pontos específicos do material, para mapear como os elétrons estavam fluindo.
Nos flocos de ouro, os elétrons fluíam pelo labirinto sem mudar de direção, mesmo quando a corrente passava por cada câmara lateral antes de retornar à corrente principal.
Em contraste, dentro do ditelureto de tungstênio, os elétrons fluíram através do canal e depois giraram em cada câmara lateral criando redemoinhos, antes de retornarem ao canal principal – como seria de esperar que um fluido fizesse.
“Observamos uma mudança na direção do fluxo nas câmaras, onde a direção do fluxo inverteu a direção em relação à faixa central”, diz Levitov.
“Isso é algo muito impressionante, e é a mesma física dos fluidos comuns, mas acontece com os elétrons em nanoescala. Essa é uma assinatura clara de que os elétrons estão em um regime semelhante ao de um fluido.”
Acima: A coluna à esquerda mostra como os elétrons fluíram através do ditelureto de tungstênio (WTe2) em comparação com as simulações hidrodinâmicas à esquerda coluna.
É claro que esse experimento foi feito em temperaturas ultrabaixas com um material especializado – não é algo que acontecerá em seus aparelhos domésticos tão cedo. Também havia restrições de tamanho nas câmaras e no canal intermediário.
Mas esta é a “primeira visualização direta de vórtices giratórios em uma corrente elétrica”, como o comunicado de imprensa explica. Isto não é apenas uma confirmação de que os elétrons pode se comportarem como um fluido, o avanço também poderá ajudar os engenheiros a entender melhor como aproveitar esse potencial em seus dispositivos.
A pesquisa foi publicada em Natureza.