Embora sejam partículas discretas, as moléculas de água fluem coletivamente como líquidos, produzindo correntes, ondas, redemoinhos e outros fenômenos fluidos clássicos.
Não é assim com a eletricidade. Embora uma corrente elétrica também seja uma construção de partículas distintas – neste caso, elétrons – as partículas são tão pequenas que qualquer comportamento coletivo entre elas é abafado por influências maiores à medida que os elétrons passam por metais comuns. Mas, em certos materiais e sob condições específicas, esses efeitos desaparecem e os elétrons podem influenciar diretamente uns aos outros. Nesses casos, os elétrons podem fluir coletivamente como um fluido.

Agora, físicos do MIT e do Weizmann Institute of Science observaram elétrons fluindo em vórtices, ou redemoinhos – uma marca registrada do fluxo de fluido que os teóricos previram que os elétrons deveriam exibir, mas isso nunca foi visto até agora.

"Os vórtices de elétrons são esperados em teoria, mas não há provas diretas, e ver para crer", diz Leonid Levitov, professor de física 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”.

As observações, relatadas na revista Nature , poderia informar o projeto de eletrônicos mais eficientes.

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

Levitov é co-autor do novo artigo, junto com Eli Zeldov e outros do Instituto Weizmann de Ciência em Israel e da Universidade do Colorado em Denver.

Um aperto coletivo

Quando a eletricidade passa pela maioria dos metais e semicondutores comuns, os momentos e as trajetórias dos elétrons na corrente são influenciados por impurezas no material e vibrações entre os átomos do material. Esses processos dominam o comportamento dos elétrons em materiais comuns.

Mas os teóricos previram que, na ausência desses processos clássicos comuns, os efeitos quânticos deveriam prevalecer. Ou seja, os elétrons devem captar o delicado comportamento quântico um do outro e se mover coletivamente, como um fluido de elétrons viscoso e semelhante ao mel. Esse comportamento semelhante ao líquido deve surgir em materiais ultralimpos e em temperaturas próximas de zero.

Em 2017, Levitov e colegas da Universidade de Manchester relataram assinaturas desse comportamento de elétrons semelhantes a fluidos no grafeno, uma fina folha de carbono de um átomo na qual eles gravaram um canal fino com vários pontos de aperto. Eles observaram que uma corrente enviada através do canal poderia fluir através das constrições com pouca resistência. Isso sugeriu que os elétrons na corrente foram capazes de se espremer coletivamente pelos pontos de aperto, como um fluido, em vez de entupir, como grãos individuais de areia.

Esta primeira indicação levou Levitov a explorar outros fenômenos de fluido de elétrons. No novo estudo, ele e colegas do Weizmann Institute for Science procuraram visualizar vórtices de elétrons. Como eles escrevem em seu artigo, "a característica mais marcante e onipresente no fluxo de fluidos regulares, a formação de vórtices e turbulência, ainda não foi observada em fluidos de elétrons, apesar de inúmeras previsões teóricas".

Fluxo de canalização

Para visualizar os vórtices de elétrons, a equipe procurou o ditelureto de tungstênio (WTe2), um composto metálico ultralimpo que exibe propriedades eletrônicas exóticas quando isolado na forma bidimensional de um átomo fino.

“O ditelureto de tungstênio é um dos novos materiais quânticos onde os elétrons interagem fortemente e se comportam como ondas quânticas em vez de partículas”, diz Levitov. "Além disso, o material é muito limpo, o que torna o comportamento fluido diretamente acessível."

Os pesquisadores sintetizaram monocristais puros de ditelureto de tungstênio e esfoliaram flocos finos do material. Eles então usaram litografia de feixe eletrônico e técnicas de gravação a plasma para padronizar cada floco em um canal central conectado a uma câmara circular em ambos os lados. Eles gravaram o mesmo padrão em finas lascas de ouro – um metal padrão com propriedades eletrônicas comuns e clássicas.

Eles então executaram uma corrente através de cada amostra padronizada em temperaturas ultrabaixas de 4,5 kelvins (cerca de -450 graus Fahrenheit) e mediram o fluxo de corrente em pontos específicos em cada amostra, usando um dispositivo de interferência quântica supercondutora de varredura em nanoescala (SQUID) em uma ponta. Este dispositivo foi desenvolvido no laboratório de Zeldov e mede campos magnéticos com altíssima precisão. Usando o dispositivo para escanear cada amostra, a equipe pôde observar em detalhes como os elétrons fluíam pelos canais padronizados em cada material.

Os pesquisadores observaram que os elétrons fluindo através de canais padronizados em flocos de ouro o faziam sem inverter a direção, mesmo quando parte da corrente passava por cada câmara lateral antes de se juntar à corrente principal. Em contraste, os elétrons que fluíam através do ditelureto de tungstênio fluíam através do canal e giravam em cada câmara lateral, da mesma forma que a água faria ao esvaziar em uma tigela. Os elétrons criaram pequenos redemoinhos em cada câmara antes de fluir de volta para o canal principal.

“Observamos uma mudança na direção do fluxo nas câmaras, onde a direção do fluxo inverteu a direção em comparação com a da faixa central”, diz 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."

As observações do grupo são a primeira visualização direta de vórtices rodopiantes em uma corrente elétrica. As descobertas representam uma confirmação experimental de uma propriedade fundamental no comportamento do elétron. Eles também podem oferecer pistas de como os engenheiros podem projetar dispositivos de baixa potência que conduzam eletricidade de maneira mais fluida e menos resistiva. + Explorar mais

Primeiro vislumbre do fluxo hidrodinâmico de elétrons em materiais 3D