Elétrons fluem como água e até formam redemoinhos

Com informações do MIT - 07/07/2022

Ilustração artística de um vórtice de elétrons, visto agora pela primeira vez.
[Imagem: Christine Daniloff/MIT]

Elétrons como fluidos

Embora sejam partículas discretas, as moléculas de água fluem coletivamente como líquidos, produzindo correntes, ondas, redemoinhos e outros fenômenos fluidos clássicos.

Com a eletricidade não é bem assim. Embora uma corrente elétrica também seja uma construção de partículas distintas, não dá para colocar elétrons em uma pia e vê-lo saindo pelo ralo - eles tipicamente estão circulando por um material. E qualquer comportamento coletivo entre eles é abafado por influências maiores à medida que os elétrons navegam pelos materiais condutores, como os metais.

Mas, em certos materiais e sob condições específicas, esses efeitos podem ser suprimidos, e então os elétrons podem influenciar-se diretamente. Nesses casos, os elétrons podem de fato fluir coletivamente como um fluido, algo que já foi demonstrado no grafeno e em supercondutores.

Vórtices de elétrons

Agora, físicos observaram, pela primeira vez, elétrons não apenas se comportando como líquido, mas também fluindo em vórtices, ou redemoinhos, uma marca registrada do fluxo de fluidos que os teóricos previram que os elétrons deveriam apresentar, mas que nunca havia sido visto até agora.

"Vórtices de elétrons são esperados pela teoria, mas não há provas diretas, e ver é crer. Agora nós vimos, e é uma assinatura clara desse novo regime, onde os elétrons se comportam como um fluido, não como partículas individuais," disse o professor Leonid Levitov, do MIT.

E, mais do que uma mera curiosidade teórica, esse comportamento pode ser explorado para projetar componentes 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," disse Levitov. "Esta nova observação é mais um passo nessa direção."

Os elétrons criam redemoinhos dentro das duas câmaras laterais - mas apenas no material quântico, no ouro não.
[Imagem: Amit Aharon-Steinberg et al. - 10.1038/s41586-022-04794-y]

Eletricidade fluida

Quando a eletricidade passa pela maioria dos metais e semicondutores, os momentos e as trajetórias dos elétrons na corrente são influenciados por impurezas e pelas vibrações entre os átomos do material. Esses processos dominam o comportamento dos elétrons nos materiais comuns.

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

Tudo isso já havia sido confirmado, no grafeno e nos supercondutores, por exemplo. Mas faltava a característica mais marcante e onipresente do fluxo dos fluidos: A formação de vórtices e turbulências.

Redemoinhos de elétrons

Para visualizar os vórtices de elétrons, a equipe usou o ditelureto de tungstênio (WTe₂), um composto metálico ultralimpo que apresenta propriedades eletrônicas exóticas quando isolado na forma bidimensional, com uma camada atômica de espessura - nesse material, os elétrons interagem fortemente e comportam-se como ondas quânticas, em vez de partículas.

Eles então usaram litografia de feixe de elétrons e técnicas de gravação a plasma para modelar um canal central ligado a uma câmara circular em cada um dos lados. Para comparação, o mesmo molde foi feito no ditelureto de tungstênio e em finas lascas de ouro, um metal padrão com propriedades eletrônicas clássicas comuns.

Nas camadas de ouro, os elétrons fluem através do canal sem inverter a direção, mesmo quando parte da corrente passa por cada câmara lateral antes de se juntar à corrente principal. Por outro lado, os elétrons que fluem através do ditelureto de tungstênio, ao sair do canal, giram em cada câmara lateral, da mesma forma que a água faria em uma vasilha. Os elétrons criaram pequenos redemoinhos em cada câmara antes de fluir de volta para o canal principal.

A equipe espera que o design do experimento ofereça pistas aos engenheiros de como projetar dispositivos de baixa potência que conduzam eletricidade de maneira mais fluida e menos resistiva.

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