A resistência elétrica é um conceito simples:como o atrito que diminui a velocidade de um objeto que rola sobre uma superfície, resistência retarda o fluxo de elétrons através de um material condutor. Mas dois físicos descobriram agora que os elétrons às vezes podem cooperar para transformar a resistência em sua cabeça, produzindo vórtices e retrocesso de corrente elétrica.

A previsão de "resistência negativa" é apenas uma de um conjunto de efeitos semelhantes aos fluidos contra-intuitivos e bizarros encontrados em certas circunstâncias exóticas, envolvendo sistemas de partículas de forte interação em uma folha de grafeno, uma forma bidimensional de carbono. Os resultados são descritos em um artigo publicado hoje na revista Física da Natureza , pelo professor de física do MIT, Leonid Levitov e Gregory Falkovich, professor do Instituto de Ciência Weizmann de Israel.

Os elétrons no grafeno se movem de forma perfeitamente coordenada, em muitos aspectos, assemelha-se ao movimento de fluidos viscosos através de um tubo, onde são fortemente afetados por turbulências e vórtices. Isso se deve às interações que produzem uma resposta de campo de corrente de longo alcance, bastante diferente do simples comportamento "individualista" esperado em circunstâncias normais, quando os elétrons se movem em linha reta como pinballs saltando entre os íons, conforme descrito pela lei de Ohm, dizem os pesquisadores.

A noção de viscosidade do elétron já havia sido sugerida antes, em teoria, mas se provou difícil de testar porque ninguém havia inventado uma maneira de observar esses fenômenos diretamente. Agora, Levitov e Falkovich dizem que descobriram um conjunto de sinais que podem servir como um indicador de tais efeitos coletivos nos fluxos de elétrons.

Este trabalho é "uma aplicação notável de uma visão teórica para a previsão de um novo efeito observável experimentalmente, "diz Subir Sachdev, um professor de física da Universidade de Harvard que não esteve envolvido neste trabalho. Ele diz que esse insight é "muito significativo e abre um novo capítulo no estudo do fluxo de elétrons em metais".

Um sistema de benchmark

"Sempre houve uma espécie de dicotomia entre o que é fácil de fazer na teoria e o que é fácil de fazer em experimentos, "Levitov diz." Houve uma busca por um sistema ideal que fosse fácil para os experimentalistas trabalharem e também fosse um sistema de referência com fortes interações que mostrassem fortes fenômenos interativos. " ele diz, o grafeno está fornecendo muitas das qualidades procuradas de tal sistema.

Em uma superfície de grafeno, Levitov diz, "você tem elétrons se comportando como partículas relativísticas acopladas por interações de longo alcance e muito fortes." Com uma possível exceção de fluidos exóticos, como plasmas de quark-gluon, ele diz, o grafeno pode estar mais próximo da noção de um perfeito "fluido de interação forte, "um importante conceito teórico na física quântica, do que qualquer outro sistema que conhecemos atualmente.

O comportamento coletivo dos portadores de carga em tais sistemas de interação forte é bastante peculiar. "Na verdade, não é tão diferente da mecânica dos fluidos, "Levitov diz. A maneira como os fluidos se movem pode ser calculada" com muito pouco conhecimento de como os átomos individuais do líquido interagem. Não nos importamos muito "com os movimentos individuais; é o comportamento coletivo que importa em tais situações, ele diz.

No ambiente de grafeno, efeitos quânticos, que são normalmente insignificantes em escalas maiores do que as de partículas individuais, desempenham um papel dominante, ele diz. Neste cenário, "mostramos que [a maneira como os portadores de carga se movem] tem um comportamento coletivo semelhante a outros fluidos de forte interação, como água."

Como detectar isso?

Mas embora isso seja verdade em teoria, ele diz, "a questão é, mesmo se tivermos "- isto é, esse comportamento semelhante a um fluido - "como podemos detectá-lo? Ao contrário dos fluidos comuns, onde você pode rastrear diretamente o fluxo, colocando algumas contas nele, por exemplo, neste sistema, não temos uma maneira de ver o fluxo diretamente. "Mas, por causa da estrutura bidimensional do grafeno, enquanto os elétrons se movem através do material "podemos obter informações de medições elétricas" feitas de fora, onde é possível colocar sondas em qualquer ponto da folha.

A nova abordagem se baseia no fato de que "se você tiver um fluxo viscoso, você espera que as diferentes partes do líquido se arrastem umas nas outras e produzam redemoinhos. Eles criarão um fluxo que arrastará as partículas vizinhas e conduzirá um vórtice, "Levitov diz. Especificamente, um fluxo direto no meio de uma fita de grafeno será acompanhado por redemoinhos se desenvolvendo ao longo das laterais. Naqueles redemoinhos, elétrons podem realmente fluir na direção oposta à do campo elétrico aplicado - resultando no que os físicos chamam de resistência negativa.

Embora os redemoinhos em si não possam ser observados diretamente, o movimento para trás do fluxo de elétrons em certas partes do material pode ser medido e comparado com as previsões teóricas.

Embora Levitov e Falkovich não tenham realizado pessoalmente tais experimentos, Levitov diz que algumas descobertas enigmáticas recentes parecem se encaixar no padrão previsto. Em um experimento que acaba de ser relatado, ele diz que "os pesquisadores viram algo semelhante, onde a voltagem do lado fica negativa. É muito tentador dizer "que o que viram é uma manifestação dos fenômenos previstos por esta obra.

Não apenas analogia

A comparação do comportamento do elétron no grafeno com a dinâmica dos fluidos "não é apenas uma analogia, mas uma correspondência direta, "Levitov diz. Mas existem diferenças importantes, incluindo o fato de que este fluido carrega carga elétrica, então ele se comporta não exatamente como a água fluindo em um cano, mas de uma forma semelhante a alguns plasmas, que são essencialmente nuvens de partículas carregadas.

Porque este é um trabalho em estágio inicial, Levitov diz, é muito cedo para dizer se ele poderá ter alguma aplicação prática. Mas uma implicação surpreendente deste trabalho é que o transporte de calor pode se acoplar fortemente para carregar o transporte. Isso é, o calor pode subir no topo do fluxo de carga e se propagar em forma de onda muito mais rápido do que em condições normais - talvez até 10 a 100 vezes mais rápido. Esse comportamento, se alcançado, pode ser aproveitado em algum ponto, talvez em dispositivos de detecção com tempos de resposta muito rápidos, ele especula.

Andre Geim, um professor de física da matéria condensada da Universidade de Manchester no Reino Unido que não esteve envolvido neste trabalho, diz, "É uma teoria brilhante, o que concorda muito bem com nossas recentes descobertas experimentais. "Esses experimentos, ele diz, "detectou os vórtices previstos pelo grupo de Levitov e mostrou que o líquido do elétron no grafeno era 100 vezes mais viscoso do que o mel, contrário à crença universal de que os elétrons se comportam como um gás. "

Geim acrescenta que o grafeno está se tornando cada vez mais usado em uma variedade de aplicações, e disse, "Os engenheiros eletrônicos não podem realmente utilizar o material sem uma compreensão de suas propriedades eletrônicas. Se seus elétrons se movem como balas ou nadam em melaço criando redemoinhos obviamente faz uma grande diferença."

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.