Quando os elétrons fluem através de um condutor - como os fios de cobre em nossos carregadores de telefone ou os chips de silício nas placas de circuito de nossos laptops - eles colidem com impurezas materiais e uns com os outros em um minúsculo frenesi atômico. Sua interação com as impurezas é bem conhecida.

Ainda, embora a compreensão de como os elétrons interagem entre si seja fundamental para a compreensão da física, medir a força dessas interações tem se mostrado um desafio complicado para os físicos.

Uma equipe liderada por pesquisadores da Virginia Tech descobriu que, ao criar um conjunto específico de condições, eles podiam quantificar as interações elétron-elétron com mais precisão do que nunca. Suas descobertas expandem as teorias da física existentes e podem ser aplicadas para melhorar dispositivos eletrônicos e computadores quânticos. Eles publicaram recentemente suas descobertas no jornal Nature Communications .

Para estudar como os elétrons interagem, a equipe fabricou dispositivos minúsculos que criariam um feixe de elétrons. Eles precisavam de três condições específicas para obter os resultados:baixas temperaturas, um campo magnético para fazer os elétrons girarem em órbitas, e materiais ultrapuros fornecidos por colaboradores da Purdue University. O objetivo deles:ver a que distância os elétrons viajariam em suas órbitas antes de encontrarem outros elétrons e se espalharem. Como o dispositivo era feito de materiais ultrapuros, a equipe sabia que não havia nenhuma outra variável que pudesse causar o espalhamento - eles podiam testemunhar a interação dos elétrons sem nenhuma variável de confusão.

"O que geralmente acontece em uma rotina, semicondutor impuro é que os elétrons sofrem tantas colisões com as impurezas que você basicamente nunca sabe o que as interações elétron-elétron estão realmente fazendo, "disse Jean Heremans, professor do Departamento de Física da Faculdade de Ciências. "Mas quando você remove essas impurezas, você fica com um material ultrapuro, e de repente essas interações elétron-elétron tornam-se evidentes. Foi uma surpresa para nós que foi um efeito tão grande, que pudemos usá-lo para quantificar as interações de elétrons. "

Contudo, esta não foi a única surpresa que a equipe encontrou. Cientistas descobriram recentemente que em certos materiais e condições, grupos de elétrons fluem coletivamente e se comportam como um líquido. Usando computadores de alta potência, colaboradores do projeto no Rensselaer Polytechnic Institute em Troy, Nova york, simulado como o grupo de elétrons fluiu. Suas imagens revelaram que os elétrons fluíram em vórtices, como redemoinhos - um comportamento que ainda não foi documentado na presença de um campo magnético.

"Os redemoinhos realmente persistem mesmo que as interações entre os elétrons sejam muito fracas, "disse Adbhut Gupta, o principal autor do estudo e um Ph.D. candidato no laboratório de Heremans. "Neste ponto, não se sabe muito sobre esse comportamento coletivo no limite de interação fraca. É um novo fenômeno, um que uma única partícula não teria mostrado. O nosso é o primeiro experimento a sugerir esse tipo de comportamento coletivo. "

Também trabalhando no estudo estava Gitansh Kataria, um estudante de graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Bradley, parte da Virginia Tech College of Engineering.

As descobertas da equipe podem ser essenciais para ajudar os cientistas a repensar algumas das teorias da física mais fundamentais, como a teoria dos líquidos de Fermi, que descreve o estado normal dos metais em baixas temperaturas.

“O que descobrimos é que essas teorias são obedecidas, mas apenas de forma aproximada. Vimos desvios das expectativas teóricas, "disse Heremans." Isso é interessante porque se tudo estiver de acordo com a teoria, por que é necessário fazer experimentos para começar? Não é que tenhamos que concordar totalmente, mas temos que entender o que está faltando na teoria. "

Os resultados deste estudo podem ser aplicados para ajudar a melhorar a eletrônica, como sensores e dispositivos de telecomunicações, Heremans disse. Mais, esta pesquisa pode ajudar a promover o campo de ponta da computação quântica, parte do qual depende de interações elétron-elétron para formar novos estados quânticos. Compreender o comportamento do elétron permitirá que os físicos aproveitem totalmente o poder dos elétrons em novas inovações e aplicações.