Un «río» de electrones que fluye en un canal de grafeno. La viscosidad generada por la repulsión entre electrones (bolas rojas) hace que fluyan con una densidad de corriente parabólica, ilustrada aquí como un frente de onda de espuma blanca. (Imagen: Instituto de Ciencias Weizmann)

A menudo hablamos de electrones que «fluyen» a través de los materiales, pero de hecho, normalmente no se mueven como un fluido. Sin embargo, dicho flujo de electrones «hidrodinámico» se había predicho, y los investigadores del Instituto de Ciencias Weizmann recientemente lograron, con la ayuda de «tubos» nanoscópicos especialmente producidos, obtener imágenes de electrones que fluyen como el agua en los tubos domésticos que conducen a una ducha o cocina lavabo. Esta es la primera vez que se visualiza este «flujo de electrones líquidos», y tiene implicaciones vitales para futuros dispositivos electrónicos.

El movimiento de electrones a través de materiales, principalmente conductores como los metales, generalmente se parece más a un gas que a un fluido. Es decir, no chocan entre sí, sino que tienden a rebotar impurezas e imperfecciones en el material. Un flujo de fluido, en cambio, toma forma, ya sean olas o remolinos, de las colisiones frecuentes entre las partículas en el fluido.

Para hacer que los electrones fluyan como un fluido, se necesita un tipo diferente de conductor, y el equipo recurrió al grafeno, que es una lámina de carbono de un átomo de espesor, y que se puede hacer excepcionalmente limpia.

“Las teorías sugieren que los electrones líquidos pueden realizar hazañas geniales que sus contrapartes no pueden. Pero para obtener una prueba clara de que los electrones pueden, de hecho, formar un estado líquido, queríamos visualizar directamente su flujo «, dijo el profesor Shahal Ilani, jefe del equipo en el Departamento de Física de la Materia Condensada del Instituto.

Incluso usando el grafeno como conductor, el equipo necesitaba desarrollar una técnica que fuera lo suficientemente poderosa como para mirar dentro de un material, pero lo suficientemente suave como para evitar interrumpir el flujo de electrones. El equipo de Weizmann creó tal técnica, como informaron recientemente en Nature Nanotechnology ( «Imágenes simultáneas de voltaje y densidad de corriente de electrones que fluyen en dos dimensiones» ). Consiste en un detector a nanoescala construido a partir de un transistor de nanotubos de carbono, y el equipo descubrió que puede obtener imágenes de las propiedades de los electrones que fluyen con una sensibilidad sin precedentes.

“Nuestra técnica es al menos 1000 veces más sensible que los métodos alternativos; esto nos permite visualizar fenómenos que anteriormente solo podían estudiarse indirectamente ”, dice el científico del equipo, Dr. Joseph Sulpizio, en el laboratorio de Ilani.

En un nuevo estudio publicado en Nature ( «Visualizando el flujo de Poiseuille de electrones hidrodinámicos» ), los investigadores de Weizmann aplicaron su novedosa técnica de imagen a dispositivos de grafeno de última generación producidos en el grupo del Prof. Andre Geim en la Universidad de Manchester. . Estos dispositivos eran «tubos» microscópicos: pequeños canales diseñados para guiar los electrones que fluyen.

El equipo observó el sello distintivo del flujo hidrodinámico: al igual que el agua en una tubería, los electrones en el grafeno fluyeron más rápido en el centro del canal y disminuyeron la velocidad en las paredes.

Esta demostración, que dadas las condiciones adecuadas, los electrones pueden imitar los patrones de un fluido convencional, puede ser beneficiosa para crear nuevos tipos de dispositivos electrónicos, incluidos los de baja potencia en los que el flujo hidrodinámico reduce la resistencia eléctrica.

«Los centros de computación y la electrónica de consumo están devorando una cantidad cada vez mayor de energía, y es imperativo encontrar formas de hacer que los electrones fluyan con menos resistencia», dijo el Dr. Lior Ella, también del grupo de Ilani.

El equipo experimental de Weizmann también incluyó a Asaf Rozen y Debarghya Dutta. Los dispositivos de grafeno fueron producidos por John Birkbeck, David Perello y el Dr. Moshe Ben-Shalom del grupo del Prof. Andre Geim en la Universidad de Manchester. El Dr. Thomas Scaffidi, el Dr. Tobias Holder, el Dr. Raquel Queiroz, el Dr. Alessandro Principi y el Prof. Ady Stern realizaron cálculos teóricos y simulaciones por computadora para respaldar los experimentos.

Fuente: Instituto de Ciencias Weizmann