O fenómeno recentemente descoberto acelera os electrões quando estes estão agrupados em fluidos viscosos.
O que actua como mecanismo é o facto de um grande número de electrões agrupados coordenarem o seu momento, ou movimento, de forma muito aprumada, como se verifica com as partículas do mundo do muito grande nos fluidos viscosos.
Uma nova pesquisa demonstrou que os electrões quando passam por uma estreita abertura num pedaço de metal podem-se mover muito mais rápido do que se previa, e que se movem cada mais rápido quanto maior for o seu número – o que é um resultado aparentemente paradoxal. Nesta ilustração, a superfície cor de laranja representa a energia potencial necessária para obter um electrão em movimento, e o “vale” no centro representa a zona constringida.
Créditos: Genia Brodsky, desenhista gráfico / Weizmann Institute of Science
Uma nova descoberta dos físicos do MIT e em Israel demonstra que, sob certas condições específicas, os electrões podem acelerar através de uma abertura estreita num pedaço de metal mais facilmente do que a teoria tradicional diz ser possível.
Este fluxo “superbalístico” assemelha-se ao comportamento dos gases que fluem através duma abertura apertada, no entanto ocorre num fluido eléctrico quantum-mecânico, diz Leonid Levitov, Professor de Física do MIT, que é co-autor de um artigo que descreve a descoberta nas Actas da Academia Nacional de Ciências.
Nessas passagens estreitas, quer para os gases que passam através de um tubo quer para os electrões movendo-se através de uma secção de metal que se estreita até um ponto, verifica-se que, quanto mais, melhor: grandes cachos de moléculas de gás ou grandes cachos de electrões movem-se com mais velocidade do que números menores dos mesmos fluídos ou de partículas subatómicas elementares ( o electrão é uma dessas partículas, e elementar significa que não tem sub partículas constituintes, é um quanta básico) passando pelo mesmo gargalo.
Este comportamento parece paradoxal. É como se uma multidão de pessoas tentando espremer-se através de uma porta de uma só vez descobrissem que podem passar mais rápido do que uma pessoa passando sozinha e desobstruída.
Mas os cientistas sabem há quase um século que isso é exatamente o que acontece com os gases que passam por uma abertura minúscula, e o comportamento pode ser explicado através da física simples e básica, diz Levitov.
Numa passagem de um determinado tamanho, se houver poucas moléculas do gás, estas podem viajar desimpedidas, e em linhas rectas (momento vectorial, o momento escalar seria se regressassem ao ponto de partida).
Isto significa que se estão movimentando aleatoriamente, e que a maioria destas moléculas vai rapidamente bater na parede e saltar para fora, perdendo no processo parte de sua energia para a parede e que irão, portanto, abrandar cada vez que colidem com essa parede.
Mas, com um lote maior de moléculas, a maioria delas vai embater noutras moléculas com mais frequência do que irá bater nas paredes.
As colisões com outras moléculas são “sem perdas”, uma vez que a energia total das duas partículas que colidem é conservada, e não ocorre desaceleração global.
“As moléculas num gás podem conseguir através da “cooperação” o que não podem realizar individualmente”, explicou o Professor.
À medida que a densidade de moléculas numa passagem aumenta, “atinge um ponto onde a pressão hidrodinâmica necessária para empurrar o gás decai, mesmo que aumente a densidade de partículas.”
Em suma, por estranho que pareça , o amontado faz com que as moléculas acelerem.
Um fenómeno semelhante, relatam os investigadores, governa o comportamento dos electrões quando estes se precipitam através de um pedaço estreito de metal, onde se movem num fluxo que é fluido.
O resultado é que, através de uma constrição suficientemente apertada e pontual num metal, os electrões podem fluir a uma taxa que excede a que foi considerada um limite fundamental, conhecido como limite balístico de Landauer.
Devido a isso, a equipa designou o novo efeito de fluxo “superbalístico.”
Isto representa uma grande queda na resistência eléctrica do metal – embora seja uma queda muito inferior à necessária para produzir a resistência zero em metais supercondutores.
No entanto, ao contrário da supercondutividade, que requer temperaturas extremamente baixas, o novo fenómeno pode ter lugar mesmo à temperatura ambiente e, assim, pode ser muito mais fácil de implementar para aplicações em dispositivos electrónicos.
Na verdade, o fenómeno realmente aumenta à medida que a temperatura sobe. Em contraste com a supercondutividade, diz Levitov, o fluxo superbalístico “é assistido pela temperatura, ao invés de ser impedido por ela”.
Através deste mecanismo, prossegue o Professor Levitov, “podemos superar esse limite que todos pensavam ser um limite fundamental para quão alta poderia ser a condutância (que é o inverso da resistência). Mostramos que se pode fazer melhor do que isso.”
Disse também que, embora este artigo em particular seja puramente teórico, outras equipas já provaram experimentalmente as suas previsões básicas. Embora a aceleração observada nos gases que fluem no caso análogo possa conseguir uma aceleração de dez ou mais vezes, fica por se ver se podem ser alcançadas melhorias nessa ordem de magnitude para a condutância eléctrica.
Mas, mesmo reduções modestas na resistência nalguns circuitos electrónicos poderiam ser uma melhoria significativa, acrescentou.
“Este trabalho é cuidadoso, elegante e surpreendente – tem todas as marcas da pesquisa de alta qualidade”, diz David Goldhaber-Gordon, Professor de Física da Universidade de Stanford, que não estava envolvido nesta investigação.
“Na ciência, sinto que fenómenos que confundem as nossas intuições são sempre úteis para alargar a nossa noção do que se pode alcançar.
Aqui, a ideia de que uma maior quantidade de electrões pode caber através duma abertura caso os electrões se desviem uns dos outros em vez de viajarem livres e independentes é bastante anti-intuitiva, na verdade é o oposto do que estamos habituados.
É especialmente intrigante que Levitov e seus colegas de trabalho descubram que a condutância em tais sistemas siga uma regra tão simples.”
Embora este trabalho tenha sido teórico, Goldhaber-Gordon acrescenta: “testar as previsões simples e marcantes de Levitov experimentalmente será realmente excitante e é plausível de se alcançar no grafeno.”
Os investigadores imaginam a construção de novos tipos de interruptores electrónicos baseados no fluxo de electrões balísticos. As percepções teóricas de Levitov, se a experiência for validada seriam altamente relevantes para esta ideia: o fluxo Superbalístico poderia permitir que esses comutadores sejam mais eficientes do que seria espectável (ou poderia demonstrar que não).
Haoyu Guo, autor principal do artigo científico, é um jovem que acabara de chegar ao MIT como estudante de transferência do segundo ano da Universidade de Pequim quando começou o trabalho neste projecto – um nível incomum de realização para um estudante de graduação, especialmente um que tinha apenas acabado de chegar ao campus, diz Levitov. Guo trabalhou no projecto em parte através do MIT’s Graduation Research Opportunities Program, ou UROP.
A equipa também incluiu Ekin Ilseven do MIT e Gregory Falkovich, Professor de Física no Instituto Weizmann em Rehovot, Israel.
Note-se que o grafeno é um material simples de obter e de manusear (é a grafite dos lápis de carvão puxada por uma simples fita gomada), é abundante e barata, é um condutor quase perfeito e é relativamente fácil de imprimir nas placas dos microprocessadores existentes.
Fotografia do Grafeno.
Créditos: Geek.com
De facto, afigura-se muito verosímil que esta descoberta venha a ter aplicações de escala industrial num futuro breve, dado o seu potencial em fazer caber mais processadores na mesma placa de silicone, duplicando a sua capacidade ou mantendo-a baixando o preço. É apenas uma questão comercial de se optar pela constante ou pela variável.
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