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Viernes, 10 marzo 2017
Física

Electrones haciendo algo que se creía imposible

Un nuevo descubrimiento muestra que bajo ciertas condiciones especiales, los electrones pueden atravesar una abertura estrecha en una pieza de metal a gran velocidad y más fácilmente que lo que la teoría tradicional sostiene.

 

Este flujo “superbalístico” se parece al comportamiento de los gases que fluyen a través de una abertura angosta, pero sin embargo tiene lugar en un estado de la mecánica cuántica en el que los electrones son fluidos.

 

El hallazgo es obra del equipo de Leonid Levitov, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, y Gregory Falkovich, del Instituto Weizmann en Israel.

 

En estos pasadizos angostos, para que los electrones se muevan a través de una sección de metal que se estrecha hasta un punto, resulta que cuantos más, mejor: grandes grupos de electrones se mueven más rápido que un número pequeño de ellos atravesando el mismo cuello de botella.

 

El comportamiento parece paradójico. Es como si una muchedumbre que intentara pasar por una puerta todos a la vez descubriera que pueden atravesarla más rápido que una sola persona pasando sola y sin obstáculos. Pero los científicos han sabido desde hace casi un siglo que esto es exactamente lo que sucede con los gases que pasan a través de una abertura diminuta, y el comportamiento puede explicarse a través de la física.

 

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La nueva investigación muestra que los electrones que atraviesan una pieza metálica lo bastante estrecha pueden moverse mucho más rápido que lo esperado, y que lo hacen más deprisa si son más. En la ilustración, la superficie naranja representa la energía potencial necesaria para hacer que se mueva un electrón, y el “valle” en el centro representa la porción estrecha. (Imagen: Genia Brodsky / Weizmann Institute of Science)

 

En un conducto de determinado diámetro, si hay pocas moléculas de gas, estas pueden viajar sin impedimentos en línea recta. Esto significa que si se mueven de forma aleatoria, la mayoría chocará rápidamente contra la pared y rebotará, perdiendo así parte de su energía durante el proceso, y por tanto ralentizándose cada vez que lo hagan. Pero con un grupo mayor de moléculas, la mayoría choca entre sí más a menudo que contra las paredes. Las colisiones con otras moléculas no tienen “pérdida” porque la energía total de las dos que chocan se conserva, por lo que no se produce una ralentización. “Las moléculas en un gas pueden conseguir a través de la cooperación lo que no pueden hacer individualmente”, acota Levitov.

 

A medida que aumenta la densidad de moléculas en un conducto, se alcanza un punto donde la presión hidrodinámica que se necesita para empujar el gas desciende, a pesar de que la densidad de moléculas se incremente. En resumen, aunque parezca extraño, el amontonamiento acelera a las moléculas.

 

Lo que los autores del nuevo estudio han comprobado ahora es que un fenómeno similar gobierna el comportamiento de los electrones cuando pasan por una pieza de metal lo bastante estrecha, donde se mueven en un flujo semejante a un fluido.

 

El resultado es que, a través de ese estrechamiento, los electrones pueden fluir con un ritmo que excede al que se había considerado un límite fundamental, conocido como el límite balístico de Landauer. Debido a esto, el equipo ha bautizado al nuevo efecto como flujo “superbalístico”. Esto representa un gran descenso en la resistencia eléctrica del metal, aunque es un descenso mucho menor que el que se necesitaría para producir una resistencia cero y poder así calificar el fenómeno de superconductividad. Sin embargo, a diferencia de la superconductividad, que precisa de temperaturas extremadamente bajas, el nuevo fenómeno podría tener lugar a temperatura ambiente y por tanto podría ser mucho más fácil de poner en práctica para aplicaciones en aparatos eléctricos.

 

De hecho, el fenómeno se incrementa a medida que aumenta la temperatura. A diferencia de la superconductividad, el flujo superbalístico es ayudado por la temperatura, en vez de ser dificultado por ella.

 

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