Depois de anos de pesquisa, físicos observam o fluxo de elétrons em turbilhões semelhantes a fluidos

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(Créditos: davidf/Getty Images)

Traduzido por Julio Batista
Original de Fiona MacDonald para o ScienceAlert

Pela primeira vez, físicos testemunharam algo incrivelmente emocionante: elétrons formando turbihões como um fluido.

Esse comportamento é aquele que os cientistas previram há muito tempo, mas nunca observaram antes. E pode ser a chave para o desenvolvimento de eletrônicos de próxima geração mais eficientes e rápidos.

“Os vórtices de elétrons são esperados em teoria, mas não há provas diretas, e foi ver para crer”, disse um dos pesquisadores por trás do novo estudo, o físico Leonid Levitov, do MIT.

“Agora já vimos isso, e é uma assinatura clara de estar neste novo regime, onde os elétrons se comportam como um fluido, não como partículas individuais”.

Embora os elétrons que fluam 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 que quando os elétrons ficam em um estado fluido, a dissipação [de energia] cai, e isso é interessante para tentar projetar eletrônicos de baixa potência”, disse Levitov. “Esta nova observação é mais um passo nessa direção.”

O trabalho foi um experimento conjunto entre o MIT, o Instituto Weizmann para Ciência em Israel e a Universidade do Colorado em Denver (EUA).

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 verdadeiro exemplo de elétrons fluindo coletivamente como um fluido.

Pegue a água, por exemplo. As moléculas de água são partículas individuais, mas viajam como uma de acordo com os princípios da dinâmica dos fluidos, transportando-se umas às outras através de uma superfície, formando correntes e turbilhões à medida que avançam.

Uma corrente elétrica deve essencialmente ser capaz de fazer o mesmo, mas qualquer comportamento coletivo de elétrons geralmente é substituído por impurezas e vibrações em metais normais e até semicondutores. Essas ‘distrações’ empurram os elétrons à medida que viajam e os impedem de exibir um comportamento semelhante ao de um fluido.

Há muito tempo foi previsto que em materiais especiais em temperaturas próximas de zero, essas interferências deveriam desaparecer, permitindo que os elétrons se movessem como um fluido…

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 turbilhões.

O primeiro foi observado por Levitov e colegas da Universidade de Manchester em 2017 usando grafeno. Em camadas finas de carbono, Levitov e sua equipe mostraram que uma corrente elétrica pode fluir através de um ponto de congestionamento como fluido, em vez de grãos de areia.

Mas ninguém tinha visto a segunda característica. “A característica mais marcante e onipresente no fluxo de fluidos regulares, a formação de vórtices e turbilhões, ainda não foi observada em fluidos de elétrons, apesar de inúmeras previsões teóricas”, escreveram os pesquisadores.

Para descobrir isso, a equipe pegou cristais únicos puros de um material ultra-limpo conhecido como ditelureto de tungstênio (WTe2) e cortou pedaços finos de um único átomo.

Eles então marcaram um padrão em um canal central com uma câmara circular de cada lado, criando um “labirinto” para a corrente elétrica passar. Eles marcam o mesmo padrão em pedaços de ouro, que não têm as mesmas propriedades ultra-limpas que o ditelureto de tungstênio e, portanto, agiu como um controle.

O diagrama à esquerda mostra como os elétrons fluíram no experimento em pedaços de ouro (Au). A imagem à direita mostra uma simulação de como eles esperam que os elétrons semelhantes a fluidos se comportem. (Créditos: Aharon-Steinberg et al., Nature, 2022)

Depois de resfriar o material a cerca de -269 graus Celsius (4,5 Kelvin), eles passaram uma corrente elétrica por ele e mediram o fluxo em pontos específicos em todo o material, para mapear como os elétrons estavam fluindo.

Nos pedaços de ouro, os elétrons fluíram pelo labirinto sem mudar de direção, mesmo quando a corrente passou 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 turbilhões, antes de fluir de volta para o canal central – como você esperaria que um fluido fizesse.

“Observamos uma mudança na direção do fluxo nas câmaras, onde a direção do fluxo inverteu a direção em relação ao canal central”, disse Levitov.

“Isso é uma coisa muito impressionante, e é a mesma física que em fluidos comuns, mas acontecendo com elétrons em nanoescala. Essa é uma assinatura clara de elétrons em um regime semelhante ao fluido.”

A coluna da esquerda mostra como os elétrons fluíram através do ditelureto de tungstênio (WTe₂) em comparação com as simulações hidrodinâmicas na coluna da esquerda. (Créditos: Aharon-Steinberg et al., Nature, 2022)

Claro, esse experimento foi feito em temperaturas ultra-frias com um material especializado – não é algo que vai acontecer em seus aparelhos domésticos tão cedo. Havia também restrições de tamanho nas câmaras e no canal central.

Mas esta é a “primeira visualização direta de vórtices rodopiantes em uma corrente elétrica”, como explica o comunicado de imprensa. Essa confirmação não é apenas de que os elétrons podem se comportar como um fluido, mas o avanço também pode ajudar os engenheiros a entender melhor como aproveitar esse potencial em seus dispositivos.

A pesquisa foi publicada na Nature.