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Los electrones se comportan como un fluído sobre el grafeno

Investigadores de Harvard han avanzado en nuestra comprensión de las propiedades básicas del grafeno, observando por primera vez electrones en un metal que se comportan como un fluido.
Con el fin de hacer esta observación, el equipo mejoró métodos para crear grafeno ultra-limpio y desarrolló una nueva forma medir su conductividad térmica. Esta investigación, publicada en Science, podría conducir a nuevos dispositivos termoeléctricos, así como proporcionar un sistema modelo para estudiar los fenómenos exóticos como los agujeros negros y plasmas de alta energía.
En los metales comunes, tridimensionales, los electrones apenas interactúan entre sí. Sin embargo, en dos dimensiones, la estructura de panal de grafeno actúa como una autopista de electrones en la que todas las partículas tienen que viajar en el mismo carril. Los electrones en el grafeno actúan como objetos sin masa relativista, algunas de ellas con carga positiva y algunas de ellas con carga negativa.
Se mueven a una velocidad increíble --1/300 de la velocidad de la luz--, y se estima quechocan entre sí diez billones de veces por segundo a temperatura ambiente. Estas intensas interacciones entre las partículas de carga no se han observado en un metal ordinario antes.
El equipo creó una muestra ultra-limpia intercalando la hoja de grafeno de un átomo de espesor entre decenas de capas de un cristal transparente perfecto aislado eléctricamente con una estructura atómica similar de grafeno, para evitar toda interferencia de su entorno.
Luego, el equipo creó una especie de sopa térmica de partículas con carga positiva y carga negativa en la superficie del grafeno, y observó cómo esas partículas fluían como las corrientes térmicas y eléctricas. Lo que vieron iba en contra de todo lo que sabían acerca de los metales.
La mayor parte de nuestro mundo, incluída la hidrodinámica, está descrita por la física clásica. Las cosas muy pequeñas, como los electrones, son descritas por la mecánica cuántica, mientras que cosas muy grandes y muy rápidas, como las galaxias, son descritas por la física relativista.
DESCRITO POR LAS LEYES DE LA HIDRODINÁMICA
La combinación de estas leyes de la física es muy difícil pero hay ejemplos extremos donde se superponen. Los sistemas de alta energía, como las supernovas y los agujeros negros, pueden describirse mediante la vinculación de las teorías clásicas de la hidrodinámica con las teorías de la relatividad de Einstein.
Pero es difícil realizar un experimento en un agujero negro. Y aquí entra el grafeno. Cuando las partículas de interacción fuerte en el grafeno fueron impulsadas por un campo eléctrico, no se comportaban como partículas individuales, sino como un fluido que podría ser descrito por la hidrodinámica.
"En lugar de ver cómo una sola partícula se vio afectada por una fuerza eléctrica o térmica, podríamos ver la energía conservada a medida que fluía a través de muchas partículas, como una onda a través del agua", dijo Jesse Crossno, primer autor del estudio.
"La física nos descubrió, mediante el estudio de los agujeros negros y la teoría de cuerdas, lo que estamos viendo en el grafeno," dijo Andrew Lucas, co-autor del estudio. "Este es el primer modelo de sistema de hidrodinámica relativista en un metal."
En el futuro, un pequeño chip de grafeno podría utilizarse para modelar el comportamiento de los fluidos como de otros sistemas de alta energía.