¿Una excepción a la ley de Ohm? El grafeno hace que los electrones actúen como un líquido viscoso con 'resistencia negativa'

Los opuestos se atraen. Es una de las reglas fundamentales que explican por qué la electricidad y el magnetismo hacen lo que hacen. Los imanes y la carga tienen dos 'sabores' que llamamos polos, como las cargas se repelen, y la polaridad eléctrica del sistema determina en qué dirección fluirá la corriente. Excepto, aparentemente el grafeno pone un asterisco después de las ecuaciones de Maxwell.

Dos equipos de físicos acaban de encontrar evidencia de que el grafeno hace que los electrones actúen menos como portadores de carga que se mueven a velocidades relativistas y más como un líquido viscoso, fluyendo contra la corriente eléctrica en remolinos y remolinos como los de la orilla de un río. Esa propiedad hace que los electrones fluyan contra la polaridad eléctrica en un fenómeno que los físicos denominan 'resistencia negativa', y como Física de la naturaleza y Ciencias informe, finalmente lo hemos visto a temperatura ambiente.



Resistencia negativa

El grafeno tiene una extraña sección transversal de propiedades electromagnéticas, que incluyen alta conductancia y baja resistencia, como los metales. Sin embargo, a diferencia de un metal, el grafeno hace algunas cosas realmente extrañas a los electrones que lo atraviesan. Cuando pasa corriente a través de un cable, se mueve principalmente en un flujo laminar suave, de una manera que generalmente llamamos 'balística'. Las imperfecciones en el material son la fuerza de desvío dominante que introduce turbulencias en el sistema, y ​​ese es un efecto menor.



Pensamos que el grafeno actuaba de la misma manera, con las únicas desviaciones de electrones que se producían en las uniones de la hoja. Sin embargo, cuando aplica un voltaje a una cinta de grafeno, solo parte de la corriente se mueve en un flujo óhmico laminar predecible. El profesor Leonid Lebitov del MIT y el profesor Gregory Falkovich del Instituto de Ciencia Weizmann de Israel demostraron que parte de ella muestra una resistencia negativa: en lugar de ralentizar los electrones y disipar su energía a través del calor como con una resistencia óhmica, los electrones se desvían y se unen en pequeños remolinos. que se mueven contra la polaridad eléctrica del sistema, como un líquido viscoso.

Andre Geim, profesor de física de la materia condensada en la Universidad de Manchester, corrió con esa idea y midió la viscosidad observada en los remolinos. Él y su equipo 'detectaron los vórtices predichos por el grupo de Levitov y demostraron que el electrón líquido en el grafeno era 100 veces más viscoso que la miel, contrariamente a la creencia universal de que los electrones se comportan como un gas'.



Fig 1 - Líneas de corriente actuales y mapa potencial para flujos óhmicos y viscosos - de Nature Physics

Las propiedades electrodinámicas del grafeno conducen a flujos de corriente viscosos, creando pequeños remolinos que hacen que los electrones viajen en contra de la polaridad eléctrica. Las líneas blancas muestran las líneas de corriente, los colores muestran el potencial eléctrico y las flechas verdes muestran la dirección de la corriente, para flujos viscosos (panel superior) y normales (óhmicos, panel inferior). Imagen: Nature Physics

Esta investigación es tan nueva que ni siquiera estamos seguros de cómo aplicar los hallazgos todavía. Una de las posibles implicaciones es que la transferencia de calor está fuertemente acoplada a la transferencia de carga, por lo que probablemente habrá fenómenos de conductancia térmica relacionados que se descubrirán aquí. Como se señaló en Naturaleza , 'El flujo viscoso (de electrones) da como resultado un patrón de calentamiento altamente complejo con puntos calientes intensos cerca de los contactos y parches fríos en forma de arco en los vórtices rodeados por regiones más cálidas'.

Fig 3 - patrones de calentamiento para flujos óhmicos y viscosos - Nature Physics

Las flechas blancas muestran la dirección actual. El flujo viscoso muestra un patrón de calentamiento muy complejo. El flujo óhmico (abajo) muestra una tasa de producción de calor esencialmente sin características que decae monótonamente lejos de los contactos. Imagen: Nature Physics



Estos experimentos marcan la primera vez que hemos podido observar directamente estos efectos pronosticados desde hace mucho tiempo de la química del grafeno. Es más, ofrecen una ventana a las implicaciones a macroescala de la física cuántica. Si bien los efectos cuánticos son normalmente insignificantes a escalas más grandes que las partículas individuales, en el entorno del grafeno juegan un papel dominante, dice el profesor Levitov a través de Noticias del MIT . En este escenario, 'mostramos que (la forma en que se mueven los portadores de carga) tiene un comportamiento colectivo similar al de otros fluidos que interactúan fuertemente, como el agua'. Sin embargo, dado lo difícil que es producir grafeno en cantidad, es posible que no sepamos cómo usarlo hasta que podamos producir lo suficiente para usarlo.

Ahora lee ¿Qué es el grafeno?

Los artículos originales (ambos con muro de pago) están en http://dx.doi.org/doi:10.1126/science.aad0201 y http://dx.doi.org/doi:10.1038/nphys3667 .

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