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    Primeiro vislumbre do fluxo de elétrons hidrodinâmico em materiais 3D

    Fig. 1:Dispositivo e configuração experimental. Crédito:DOI:10.1038 / s41567-021-01341-w

    Os elétrons fluem através da maioria dos materiais mais como um gás do que um fluido, o que significa que eles não interagem muito uns com os outros. Há muito se formulava a hipótese de que os elétrons poderiam fluir como um fluido, mas apenas os avanços recentes em materiais e técnicas de medição permitiram que esses efeitos fossem observados em materiais 2D. Em 2020, os laboratórios de Amir Yacoby, Professor de Física e de Física Aplicada na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas de Harvard John A. Paulson (SEAS), Philip Kim, Professor de Física e Professor de Física Aplicada em Harvard e Ronald Walsworth, anteriormente do Departamento de Física de Harvard, estavam entre os primeiros a imaginar os elétrons fluindo no grafeno como a água flui por um tubo.

    As descobertas forneceram uma nova caixa de areia para explorar as interações eletrônicas e uma nova maneira de controlar os elétrons - mas apenas em materiais bidimensionais. A hidrodinâmica de elétrons em materiais tridimensionais permaneceu muito mais elusiva por causa de um comportamento fundamental dos elétrons em condutores conhecido como blindagem. Quando há uma alta densidade de elétrons em um material, como em metais condutores, os elétrons são menos inclinados a interagir uns com os outros.

    Uma pesquisa recente sugeriu que o fluxo de elétrons hidrodinâmicos em condutores 3D era possível, mas exatamente como aconteceu ou como observá-lo permaneceu desconhecido. Até agora.

    Uma equipe de pesquisadores de Harvard e MIT desenvolveu uma teoria para explicar como o fluxo de elétrons hidrodinâmico poderia ocorrer em materiais 3D e observou-o pela primeira vez usando uma nova técnica de imagem.

    A pesquisa é publicada em Física da Natureza .

    "Esta pesquisa fornece um caminho promissor para a busca de fluxo hidrodinâmico e interações eletrônicas proeminentes em materiais de alta densidade de portadores, "disse Prineha Narang, Professor assistente de Ciência de Materiais Computacionais na SEAS e autor sênior do estudo.

    O fluxo de elétrons hidrodinâmicos depende de fortes interações entre os elétrons, assim como a água e outros fluidos dependem de fortes interações entre suas partículas. Para fluir com eficiência, elétrons em materiais de alta densidade se organizam de tal maneira que limita as interações. É a mesma razão pela qual as danças em grupo, como o escorregador elétrico, não envolvem muita interação entre os dançarinos - com tantas pessoas, é mais fácil para todos fazerem seus próprios movimentos.

    "A data, efeitos hidrodinâmicos foram principalmente deduzidos de medições de transporte, que efetivamente confunde as assinaturas espaciais, "disse Yacoby." Nosso trabalho traçou um caminho diferente na observação desta dança e compreensão da hidrodinâmica em sistemas além do grafeno com novas sondas quânticas de correlações de elétrons. "

    Os pesquisadores propuseram que, em vez de interações diretas, elétrons em materiais de alta densidade podem interagir uns com os outros através das vibrações quânticas da rede atômica, conhecidos como fônons.

    "Podemos pensar nas interações mediadas por fônons entre elétrons imaginando duas pessoas pulando em um trampolim, que não se impulsionam diretamente, mas sim através da força elástica das molas, "disse Yaxian Wang, um pós-doutorado no NarangLab no SEAS e co-autor do estudo.

    Para observar este mecanismo, os pesquisadores desenvolveram uma nova sonda de varredura criogênica com base no defeito de vacância de nitrogênio no diamante, que obteve imagens do campo magnético local de um fluxo de corrente em um material chamado ditelureto de tungstênio semimetal em camadas.

    "Nosso minúsculo sensor quântico é sensível a pequenas mudanças no campo magnético local, permitindo-nos explorar a estrutura magnética de um material diretamente, "disse Uri Vool, John Harvard destacou-se como bolsista científico e co-autor principal do estudo.

    Os pesquisadores não apenas encontraram evidências de fluxo hidrodinâmico dentro do ditelureto de tungstênio tridimensional, mas também descobriram que o caráter hidrodinâmico da corrente depende fortemente da temperatura.

    "O fluxo hidrodinâmico ocorre em um regime estreito, onde a temperatura não é muito alta nem muito baixa, e, portanto, a capacidade única de fazer a varredura em uma ampla faixa de temperatura foi crucial para ver o efeito, "disse Assaf Hamo, um pós-doutorado no laboratório Yacoby e co-autor principal do estudo.

    "A capacidade de criar imagens e projetar esses fluxos hidrodinâmicos em condutores tridimensionais em função da temperatura, abre a possibilidade de alcançar eletrônicos quase sem dissipação em dispositivos em nanoescala, bem como fornece novos insights sobre a compreensão das interações elétron-elétron, "disse Georgios Varnavides, um estudante de doutorado no NarangLab na SEAS e um dos principais autores do estudo. "A pesquisa também abre caminho para explorar o comportamento não clássico dos fluidos no fluxo hidrodinâmico de elétrons, como vórtices em estado estacionário. "

    "Este é um campo emocionante e interdisciplinar que sintetiza conceitos da matéria condensada e ciência dos materiais à hidrodinâmica computacional e física estatística, "disse Narang. Em pesquisas anteriores, Varnavides e Narang classificaram diferentes tipos de comportamentos hidrodinâmicos que podem surgir em materiais quânticos onde os elétrons fluem coletivamente.


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