Una nueva investigación en física revela nuevas complejidades en el comportamiento de los electrones en los materiales

Cuando los electrones pasan a través de un conductor, como los cables de cobre en los cargadores de nuestros teléfonos o los chips de silicio en las placas de circuito de nuestras computadoras portátiles, chocan con las impurezas materiales y entre sí en un pequeño frenesí atómico. Su interacción con las impurezas es bien conocida.

Sin embargo, si bien comprender cómo interactúan los electrones entre sí es fundamental para comprender la física, medir la fuerza de estas interacciones ha demostrado ser un desafío delicado para los físicos.

Un equipo dirigido por investigadores de Virginia Tech descubrió que al crear un conjunto específico de condiciones, podían cuantificar las interacciones electrón-electrón con mayor precisión que nunca. Sus hallazgos se basan en teorías físicas existentes y se pueden aplicar para mejorar los dispositivos electrónicos y las computadoras cuánticas. Recientemente publicaron sus hallazgos en la revista Comunicación de la naturaleza.

Para estudiar cómo interactúan los electrones, el equipo fabricó pequeños dispositivos que crearían un haz de electrones. Necesitaban tres condiciones específicas para obtener los resultados: bajas temperaturas, un campo magnético para hacer girar los electrones en órbita y materiales ultrapuros proporcionados por colaboradores de la Universidad de Purdue. Su objetivo: ver qué tan lejos viajarían los electrones en su órbita antes de encontrarse con otros electrones y dispersarse. Dado que el dispositivo estaba hecho de materiales ultrapuros, el equipo sabía que no había otras variables que pudieran causar la dispersión: podían ver los electrones interactuando sin ninguna variable confusa.

“Lo que suele ocurrir en un semiconductor impuro ordinario es que los electrones chocan con tantas impurezas que casi nunca se sabe lo que realmente hacen las interacciones electrón-electrón”, dijo Jean Heremans, profesor del departamento de física de la Facultad de Ciencias. “Pero cuando eliminas estas impurezas, terminas con un material ultra puro y, de repente, estas interacciones electrón-electrón se vuelven evidentes. Cuantifica las interacciones electrónicas”.

Sin embargo, esa no fue la única sorpresa que encontró el equipo. Los científicos descubrieron recientemente que, bajo ciertos materiales y condiciones, grupos de electrones circulan colectivamente y se comportan como un líquido. Utilizando potentes ordenadores, los colaboradores del proyecto del Instituto Politécnico Rensselaer en Troy, Nueva York, simularon la circulación del grupo de electrones. Sus imágenes revelaron que los electrones fluían en vórtices, como remolinos, un comportamiento que aún no ha sido documentado en presencia de un campo magnético.

“Los remolinos persisten incluso si las interacciones entre los electrones son muy débiles”, dijo Adbhut Gupta, autor principal del estudio y doctor. candidato en el laboratorio de Heremans. “En este punto, no sabemos mucho sobre este comportamiento colectivo en el límite de interacción débil. Es un fenómeno nuevo, que una sola partícula no habría mostrado. El nuestro es el primer experimento que se hace. Alusión a este tipo de colectivo comportamiento. “

Gitansh Kataria, un estudiante de posgrado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de Bradley, parte de Virginia Tech College of Engineering, también estaba trabajando en el estudio.

Los hallazgos del equipo podrían ser esenciales para ayudar a los científicos a repensar algunas de las teorías físicas más fundamentales, como la teoría de los líquidos de Fermi, que describe el estado normal de los metales a bajas temperaturas.

“Lo que hemos encontrado es que estas teorías se obedecen, pero solo de manera aproximada. Hemos visto desviaciones de las expectativas teóricas”, dijo Heremans. “Es interesante porque si todo está de acuerdo con la teoría, ¿por qué es necesario hacer experimentos para comenzar? No es que tengamos que estar completamente de acuerdo, pero tenemos que entender lo que falta en la teoría”.

Los resultados de este estudio podrían aplicarse para ayudar a mejorar electrónico, como sensores y dispositivos de telecomunicaciones, dijo Heremans. Además, esta investigación podría ayudar a avanzar en el campo de vanguardia de computación cuántica, parte del cual se basa en interacciones electrón-electrón para formar nuevos estados cuánticos. Comprender el comportamiento de los electrones permitirá a los físicos aprovechar completamente el poder de los electrones en nuevas innovaciones y aplicaciones.