Uma nova descoberta de físicos do MIT e em Israel mostra que, sob certas condições especializadas, os elétrons podem passar por uma abertura estreita em um pedaço de metal com mais facilidade do que a teoria tradicional diz ser possível.

Este fluxo "superballístico" se assemelha ao comportamento dos gases fluindo através de uma abertura restrita, no entanto, ocorre em um fluido eletrônico quântico-mecânico, diz o professor de física do MIT, Leonid Levitov, quem é o autor sênior de um artigo que descreve a descoberta que aparece esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences .

Nessas passagens estreitas, seja para gases que passam por um tubo ou elétrons se movendo através de uma seção de metal que se estreita até um ponto, Acontece que quanto mais, o melhor:grandes grupos de moléculas de gás, ou grandes grupos de elétrons, movem-se mais rápido do que números menores passando pelo mesmo gargalo.

O comportamento parece paradoxal. É como se uma multidão de pessoas tentando se espremer por uma porta de uma só vez descobrisse que pode passar mais rápido do que uma pessoa que passa sozinha e desobstruída. Mas os cientistas sabem há quase um século que isso é exatamente o que acontece com os gases que passam por uma pequena abertura, e o comportamento pode ser explicado de maneira simples, física básica, Levitov diz.

Em uma passagem de um determinado tamanho, se houver poucas moléculas de gás, eles podem viajar desimpedidos em linhas retas. Isso significa que se eles estão se movendo aleatoriamente, a maioria deles vai bater rapidamente na parede e ricochetear, perdendo parte de sua energia para a parede no processo e, portanto, diminuindo a velocidade toda vez que atingem. Mas com um lote maior de moléculas, a maioria deles colidirá com outras moléculas com mais frequência do que com as paredes. As colisões com outras moléculas são "sem perdas, "já que a energia total das duas partículas que colidem é preservada, e nenhuma desaceleração geral ocorre. "As moléculas em um gás podem alcançar através da 'cooperação' o que não podem realizar individualmente, " ele diz.

Conforme a densidade das moléculas em uma passagem aumenta, ele explica, "Você chega a um ponto em que a pressão hidrodinâmica necessária para empurrar o gás diminui, mesmo que a densidade das partículas aumente. "Em suma, por mais estranho que possa parecer, a aglomeração faz com que as moléculas se acelerem.

Um fenômeno semelhante, os pesquisadores agora relatam, governa o comportamento dos elétrons quando eles são arremessados ​​através de um pedaço estreito de metal, onde eles se movem em um fluxo semelhante a um fluido.

O resultado é que, através de um suficientemente estreito, constrição pontual em um metal, elétrons podem fluir a uma taxa que excede o que foi considerado um limite fundamental, conhecido como limite balístico de Landauer. Por causa disso, a equipe apelidou o novo efeito de fluxo "superballístico". Isso representa uma grande queda na resistência elétrica do metal - embora seja muito menor do que o necessário para produzir a resistência zero em metais supercondutores. Contudo, ao contrário da supercondutividade, que requer temperaturas extremamente baixas, o novo fenômeno pode ocorrer mesmo em temperatura ambiente e, portanto, pode ser muito mais fácil de implementar para aplicações em dispositivos eletrônicos.

Na verdade, o fenômeno realmente aumenta à medida que a temperatura sobe. Em contraste com a supercondutividade, Levitov diz, fluxo superballístico "é auxiliado pela temperatura, em vez de ser impedido por ele. "

Por meio desse mecanismo, Levitov diz, "podemos superar esse limite que todos pensavam ser um limite fundamental para a altura da condutância. Mostramos que se pode fazer melhor do que isso."

Ele diz que embora este artigo específico seja puramente teórico, outras equipes já provaram suas previsões básicas experimentalmente. Embora a aceleração observada em gases fluindo no caso análogo possa atingir uma aceleração dez vezes ou maior, resta saber se melhorias dessa magnitude podem ser alcançadas para a condutância elétrica. Mas mesmo reduções modestas na resistência em alguns circuitos eletrônicos podem ser uma melhoria significativa, ele diz.

"Este trabalho é cuidadoso, elegante, e surpreendente - todas as marcas de uma pesquisa de alta qualidade, "diz David Goldhaber-Gordon, um professor de física da Universidade de Stanford que não estava envolvido nesta pesquisa. "Em ciência, Sinto que fenômenos que confundem nossas intuições são sempre úteis para ampliar nosso senso do que é possível. Aqui, a ideia de que mais elétrons podem passar por uma abertura se os elétrons se desviarem, em vez de viajarem livre e independentemente, é bastante contra-intuitiva, na verdade, o oposto do que estamos acostumados. É especialmente intrigante que Levitov e colegas de trabalho achem que a condutância em tais sistemas segue uma regra tão simples. "

Embora este trabalho fosse teórico, Goldhaber-Gordon acrescenta, "Testar as previsões simples e impressionantes de Levitov experimentalmente será realmente empolgante e plausível de alcançar no grafeno. ... Os pesquisadores imaginaram construir novos tipos de interruptores eletrônicos baseados no fluxo de elétrons balísticos. As percepções teóricas de Levitov, se validado experimentalmente, seria altamente relevante para esta ideia:o fluxo superballístico pode permitir que esses interruptores tenham um desempenho melhor do que o esperado (ou pode mostrar que não funcionarão como esperado). "

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.