Primer vistazo al flujo hidrodinámico de electrones en materiales 3D
"Realmente "ver" los electrones fluyendo a través de una fina pieza de metal como el agua a través de una tubería es muy emocionante"
Los electrones fluyen por la mayoría de los materiales más como un gas que como un fluido, lo que significa que no interactúan mucho entre sí. Durante mucho tiempo se planteó la hipótesis de que los electrones podían fluir como un fluido, pero sólo los avances recientes en materiales y técnicas de medición han permitido observar estos efectos en materiales 2D. En 2020, los primeros grupos de imágenes de electrones fluyendo en el grafeno como el agua fluye por una tubería.
Los electrones fluyen como el agua
© MPI CPfS (C. Pouss)
Investigaciones recientes sugerían que el flujo hidrodinámico de electrones en conductores 3D era posible, pero seguía sin saberse exactamente cómo ocurría o cómo observarlo. Hasta ahora.
Un equipo de investigadores de Harvard, el MIT y el Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos ha desarrollado una teoría para explicar cómo podría producirse el flujo hidrodinámico de electrones en materiales tridimensionales y lo ha observado por primera vez mediante una nueva técnica de obtención de imágenes.
Los electrones fluyen a través de la mayoría de los materiales más como un gas que como un fluido, lo que significa que no interactúan mucho entre sí. Durante mucho tiempo se planteó la hipótesis de que los electrones podían fluir como un fluido, pero sólo los recientes avances en materiales y técnicas de medición permitieron observar estos efectos en materiales 2D. En 2020, los laboratorios de Amir Yacoby, catedrático de Física y de Física Aplicada de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson (SEAS) de Harvard, Philip Kim, catedrático de Física y de Física Aplicada de Harvard, y Ronald Walsworth, antiguo miembro del Departamento de Física de Harvard, fueron de los primeros en obtener imágenes de electrones fluyendo en el grafeno como el agua fluye por una tubería.
Los hallazgos proporcionaron una nueva caja de arena en la que explorar las interacciones de los electrones y ofrecieron una nueva forma de controlarlos, pero sólo en materiales bidimensionales. La hidrodinámica de los electrones en los materiales tridimensionales seguía siendo mucho más difícil de entender debido a un comportamiento fundamental de los electrones en los conductores conocido como apantallamiento. Cuando hay una alta densidad de electrones en un material, como en los metales conductores, los electrones son menos propensos a interactuar entre sí.
Investigaciones recientes sugerían que el flujo hidrodinámico de electrones en los conductores 3D era posible, pero no se sabía exactamente cómo ocurría ni cómo observarlo. Hasta ahora. Un equipo de investigadores de Harvard, el MIT y el Instituto Max Planck de Física Química de los Sólidos ha desarrollado una teoría para explicar cómo el flujo hidrodinámico de electrones podría
"Esta investigación proporciona una vía prometedora para la búsqueda del flujo hidrodinámico y las interacciones prominentes de los electrones en materiales de alta densidad de portadores", afirma Prineha Narang, profesora adjunta de Ciencia Computacional de los Materiales en SEAS y autora principal del estudio.
El flujo hidrodinámico de electrones se basa en fuertes interacciones entre ellos, al igual que el agua y otros fluidos se basan en fuertes interacciones entre sus partículas. Para fluir con eficacia, los electrones de los materiales de alta densidad se organizan de tal manera que se limitan las interacciones. Es la misma razón por la que los bailes en grupo, como el tobogán eléctrico, no implican mucha interacción entre los bailarines: con tanta gente, es más fácil que cada uno haga sus propios movimientos.
"Hasta la fecha, los efectos hidrodinámicos se han deducido sobre todo a partir de las mediciones de transporte, lo que hace que las firmas espaciales queden desordenadas", explica Yacoby. "Nuestro trabajo ha trazado un camino diferente para observar esta danza y comprender la hidrodinámica en sistemas más allá del grafeno con nuevas sondas cuánticas de las correlaciones de los electrones".
Los investigadores propusieron que, en lugar de interacciones directas, los electrones de los materiales de alta densidad podrían interactuar entre sí a través de las vibraciones cuánticas de la red atómica, conocidas como fonones.
"Podemos pensar en las interacciones mediadas por fonones entre los electrones imaginando a dos personas saltando en un trampolín, que no se impulsan mutuamente de forma directa, sino a través de la fuerza elástica de los muelles", dijo Yaxian Wang, becario postdoctoral en el NarangLab de SEAS y coautor del estudio.
Para observar este mecanismo, los investigadores desarrollaron una nueva sonda de escaneo criogénico basada en el defecto de vacancia de nitrógeno en el diamante, que permite obtener imágenes del campo magnético local de un flujo de corriente en un material llamado ditelururo de tungsteno semimetalizado en capas. "Nuestro minúsculo sensor cuántico es sensible a pequeños cambios en el campo magnético local, lo que nos permite explorar directamente la estructura magnética de un material", afirma Uri Vool, investigador científico distinguido de John Harvard y primer autor del estudio.
Johannes Gooth, coautor del estudio, se muestra muy entusiasmado con el mismo y está deseando ver más materiales hidrodinámicos potenciales investigados con esta técnica. "Realmente "ver" los electrones fluyendo a través de una fina pieza de metal como el agua a través de una tubería es muy emocionante. Cuando empezamos a planificar los experimentos hace 4 años, esto no estaba nada claro. El mecanismo que subyace al flujo hidrodinámico de electrones es muy general y da un vuelco a nuestra comprensión general de los metales. "
Los investigadores no sólo encontraron pruebas del flujo hidrodinámico dentro del ditelururo de tungsteno tridimensional, sino que también descubrieron que el carácter hidrodinámico de la corriente depende en gran medida de la temperatura. "El flujo hidrodinámico se produce en un régimen estrecho en el que la temperatura no es demasiado alta ni demasiado baja, por lo que la capacidad única de escanear en un amplio rango de temperatura fue crucial para ver el efecto", dijo Assaf Hamo, becario postdoctoral en el laboratorio de Yacoby y coautor del estudio.
"La capacidad de obtener imágenes y diseñar estos flujos hidrodinámicos en conductores tridimensionales en función de la temperatura abre la posibilidad de lograr una electrónica casi sin disipación en los dispositivos a nanoescala, además de proporcionar nuevos conocimientos para entender las interacciones electrón-electrón", dijo Georgios Varnavides, estudiante de doctorado en el NarangLab de SEAS y uno de los autores principales del estudio. "La investigación también allana el camino para explorar el comportamiento no clásico de los fluidos en el flujo hidrodinámico de electrones, como los vórtices en estado estacionario".
"Se trata de un campo apasionante e interdisciplinar que sintetiza conceptos de la materia condensada y la ciencia de los materiales con la hidrodinámica computacional y la física estadística", dijo Narang. En investigaciones anteriores, Varnavides y Narang clasificaron diferentes tipos de comportamientos hidrodinámicos que podrían surgir en materiales cuánticos en los que los electrones fluyen colectivamente.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
Uri Vool, Assaf Hamo, Georgios Varnavides, Yaxian Wang, Tony X. Zhou, Nitesh Kumar, Yuliya Dovzhenko, Ziwei Qiu, Christina A. C. Garcia, Andrew T. Pierce, Johannes Gooth, Polina Anikeeva, Claudia Felser, Prineha Narang, and Amir Yacoby; "Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2"; Nature Physics; 2021
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