Los electrones se mueven en el grafeno como la miel

Investigadores de la Universidad de Manchester han descubierto que los electrones actúan en el grafeno como la miel, un líquido viscoso, al observar por primera vez su movimiento.

 

En su estudio, han observado que el este movimiento existe con dos viscosidades separadas, mostrando que el efecto Hall, un fenómeno bien conocido desde hace más de un siglo, ya no es tan universal como se pensaba.

 

Descubierto en 1879 por el físico E.H. Hall, el Efecto Hall consiste en medir el voltaje transversal en un material cuando es puesto en un campo magnético, e investigar así su capacidad para la conducción eléctrica.

 

En el trabajo de investigación publicado en Science, el grupo liderado por Andre Geim y Denis Bandurin, descubrió que el efecto Hall puede incluso ser significativamente más débil, si los electrones interactúan fuertemente entre sí dando lugar a un flujo viscoso. El nuevo fenómeno es importante a temperatura ambiente, algo que puede tener importantes implicaciones para la fabricación de dispositivos electrónicos u optoelectrónicos.

 

Al igual que las moléculas en gases y líquidos, los electrones en sólidos chocan frecuentemente entre sí y, por lo tanto, pueden comportarse como fluidos viscosos también. Tales fluidos electrónicos son ideales para encontrar nuevos comportamientos de materiales en los que las interacciones electrón-electrón son particularmente fuertes. El problema es que la mayoría de los materiales rara vez son lo suficientemente puros como para permitir que los electrones entren en el régimen viscoso. Esto se debe a que contienen muchas impurezas que los electrones pueden dispersar antes de que tengan tiempo para interactuar entre sí y organizar un flujo viscoso.

 

El grafeno puede ser muy útil aquí: la lámina de carbono es un material altamente limpio que contiene solo algunos defectos, impurezas y fonones (vibraciones de la red cristalina inducida por la temperatura), de modo que las interacciones electrón-electrón se convierten en la principal fuente de dispersión, que conduce a un flujo de electrones viscoso.

 

"En un trabajo anterior, nuestro grupo descubrió que el flujo de electrones en el grafeno puede tener una viscosidad 100 veces mayor que la de la miel", dijo Bandurin. "En esta primera demostración de hidrodinámica de electrones, se descubrieron fenómenos muy inusuales como la resistencia negativa, los remolinos de electrones y el flujo superbalístico".

 

Incluso se producen efectos más inusuales cuando se aplica un campo magnético a los electrones del grafeno cuando se encuentran en el régimen viscoso. Los teóricos ya han estudiado extensivamente la electro-magnetohidrodinámica debido a su relevancia para los plasmas en reactores nucleares y en estrellas de neutrones, así como para la mecánica de fluidos en general. Sin embargo, hasta ahora no se disponía de un sistema experimental práctico para probar esas predicciones (como la gran magnetorresistencia negativa y la resistividad anómala de Hall).

 

En sus últimos experimentos, los investigadores de Manchester hicieron dispositivos de grafeno con muchas sondas de voltaje ubicadas a diferentes distancias de la trayectoria de la corriente eléctrica. Algunos de ellos estaban a menos de una micra el uno del otro. Geim y sus colegas demostraron que si bien el efecto Hall es completamente normal si se mide a grandes distancias de la ruta actual, su magnitud disminuye rápidamente si se prueba localmente, utilizando contactos cercanos al inyector actual.

 

"El comportamiento es radicalmente diferente de la física estándar de los libros de texto", dice Alexey Berdyugin, estudiante que realizó el trabajo experimental. Si los contactos de voltaje están lejos de los contactos actuales, medimos el viejo y aburrido efecto Hall, en lugar de este nuevo 'efecto Hall viscoso'. Pero, "si colocamos las sondas de voltaje cerca de los puntos de inyección actuales, el área en la que la viscosidad se muestra más dramáticamente como remolinos en el flujo de electrones, entonces encontramos que el efecto Hall disminuye".

 

"Los cambios cualitativos en el flujo de electrones causados por la viscosidad persisten incluso a temperatura ambiente si los dispositivos de grafeno son más pequeños que una micra de tamaño, dice Berdyugin. Dado que este tamaño se ha convertido en una rutina en estos días en lo que respecta a los dispositivos electrónicos, los efectos viscosos son importantes a la hora de hacer o estudiar dispositivos de grafeno".