Elektroiek urak bezala jariatzea eragiten dute
Elektrizitatea fluxua dela azaltzen dugu, baina ez da hala gertatzen hari arrunt batean. Fisikariak elektroiei eragiten hasi dira, isuri baten jokabidea izan dezaten, eta ahalegin horren ondorioz baliteke sistema kuantikoei buruz pentsatzeko modu berriak argitzea.
Elektroiak nola mugitzen diren irudikatzeko eskatuz gero, barkatzekoa litzateke hari batean zehar doazen partikulen korronte bat bezala irudikatzea, ura hodietatik joaten den bezala. Izan ere, askotan azaldu izan dugu elektroiak «korronte elektrikoan» dabiltzala. Baina egiaz ura eta argindarra oso modu desberdinean ibiltzen dira. Uraren molekulak elkarrekin mugitzen dira eta substantzia koherente eta zurrunbilatsua eratzen dute, aldiz, elektroiek elkarri kasu egin gabe ibiltzeko joera dute. «Urak ez du beste ur bat besterik ikusten», dio Cory Deanek, Columbia Unibertsitateko fisikariak, «baina sistema elektroniko batean, hari batean, argi dago hori ez dela gertatzen».
Uraren molekulak jariatzeko elkartzen dira, baina elektroi bakoitza bere kabuz ibiltzen da. Mugimendu hori, «partikula bakoitza bere buruarentzat ibiltze» hori da teoria elektroniko ororen funtsa. Horrek azaltzen du hari bero batek zergatik duen hotz batek baino erresistentzia handiagoa eta zergatik hari borobil batek karratu batek bezain ondo eroaten duen.
Baina 1960ko hamarkadaz geroztik teorikoek uste izan dute elektroiak eragin ahal direla uretako homologoen joera antzekoagoa izateko eta jario elektronikoa sortu. Azken urteetan zenbait esperimentuek hori hala dela egiaztatu dute. Iazko udazkenean, orain arte egindako erakustaldirik ikusgarrienean, Dean eta honen laguntzaileek lortu zuten elektroikoek talka uhin mota bat eratzea eta hori gertatzeko ezinbestekoa da oso azkar doan fluido batek mantso doan beste batekin talka egitea. Elektroiak abiadura ikaragarri handian zebiltzala esan nahi zuen.
Talka egin vs. jario
Andrew Lucasek, Coloradoko Unibertsitateko (Boulder) fisikari teorikoak, alderatu egiten ditu hari batean zehar elektroiek egiten duten bidaia eta aisiako makinetako bolek egiten dutena. Jolas eremuan sartzen direnetan, bolek norabide guztietan egiten dituzte erreboteak, eta airean irteten dira paletatik eta kolpe-leungailuetatik. Gora joaten dira, behera eta makina osoan zehar ibiltzen dira.
Era berean, kobrezko hari batean elektroiek talka egiten dutenean dar-dar egiten duten kobrezko atomoekin edo metalaren «ez-purutasunekin», norabide guztietan errebotatzen dute. Batez beste, makinako bolek beheranzko joera handiagoa dute goranzkoa baino, zentzu horretan, beheranzko «jarioa» dute. Analogikoki, elektroiek «fluxua» zentzu estatistikoan baino ez da izaten; eremu elektriko batek lehentasunezko norabide bat finkatzen du harian, oso txikia izan arren.
Baina fluxu mota hori berezia da. Elektroi baten ez-purutasunekin talka egiten du hondarrez betetako zakutxo batek lurrarekin talka egiten duen bezala: talka lehorra da, errebotea baino gehiago. Ez-purutasunak elektroiaren energia drainatzen du eta une lineal asko pilatzea galarazten du. Ondorioz, elektroiak harian zehar eta hondar trinkoan zehar iragazten den ura antzera mugitzen dira, eta fisikariek mugimendu horri fluxu «dispertsiboa» esaten diote.
Aitzitik, hodi batetik doazen uraren molekulek soilik beren artean egiten dutela talka esan daiteke. Eta egiten dutenetan, billarreko piloten antzera errebotatzen dute: beren unea partekatu eta mugitzen jarraitzen dute. Uraren molekulek beren une lineala «gordetzeko» duten gaitasunak definitzen du likido izatearen izaera.
1963an Radii Gurzhi fisikari sozietikoa izan zen kalkulatzen lehenengoa zer gertatuko zen elektroiek beren une lineala gorde ahal izango balute uraren molekulek bezala. Gurzhik aurkitu zuenez, aldea egongo den korronte elektrikoak beroarekin izango zuen erreakzioan. Kobrezko hari bat berotuz gero, korrontea zaildu egiten da, baina Gurzhik kalkulatu zuenez, unea gordez gero, bero horren ondorioz elektroiak errazago mugituko lirateke, ezti beroa hotza baino jariakorragoa den bezala. Behaketa hori Gurzhi efektua izenez ezagutzen da.
Grafenoaren egitekoa
2004an, Andre Geim eta Konstantin Novoselov-ek grafenoa aurkitu zutela adierazi zuten. Grafeno geruza bat aisiako makina baten antzekoa zen, baina kolpe-leungailurik gabea. «Beira termodinamikoki ederra besterik ez da» dio Deanek. Fisikoek interferentziarik gabe aztertu ahal izan zutenean, egiaz jariatzen ari ziren elektroiak hauteman zituzten.
Hasierako esperimentuan, 2017an, Geim eta laguntzaileek estrangulatze-puntu bat zizelkatu zuten grafeno tira batean, elektroiak sartu zituzten hortik eta erresistentzia neurtu zuten. Tenperaturak gora egitean erresistentzia txikitu egiten zela ikusi zuten: Gurzhi efektua zen.
Eta 2022an Weizmann zientzien institutuko (Israel) fisikariek elektroien fluxua zuzenean behatu ahal izan zuten. Grafenoaren antzeko ezaugarri batzuk zituen material bat moldeatu zuten, tungsteno diseleniuro delakoa, alanbre bertikal batean erdi parean Micky Mousen belarrien antzeko bi zirkulu zituela. Elektroiak alanbretik behera belarrietara zihoazen heinean, taldeak mugimendua monitorizatu zuen eta alanbrearen inguruan mugitzean sortzen zuten eremu magnetikoa neurtu. Hori egitean korronte elektriko fluxuzkoak behatu zituzten, belarrien atzeko aldean pilatzen zirenak: elektroien zurrunbiloak ziren. Zurrunbilo horiek eta ibaietan eratzen direnak antzekoak ziren, hau da, ibai baten korrontearen zati batek bihurgune bat hartu eta gorantz biratzen denean sortzen denaren antzekoak.
“Egiaz ikus daitezke bortizeak”, dio Scaffidik, Geim taldarekin lankidetzan aritu zenak fluido elektronikoaren beste esperimentu batean 2022an.
Supersonikoa xede
2025ean Johannes Geursek erabaki zuen fluido elektronikoen ideia «muturrera» eramatea. Hegazkin batek azeleratzen duenean soinuaren mugaz harago doa, talka uhin bat sortzen du eta leherketa sonikoa esaten zaio. Geursek bere buruari galdetu zion soinuaren muga analogo bat gainditzerik egongo ote zen elektroiekin.
Horretarako grafeno zati bat zizelkatu zuen Laval tobera izeneko forman. Ondoren elektroiak igorri zituen estugunetik, abiadura bultzaz elektroien fluidoan ondulazioek bidaiatzen duten erritmoaren gainetik (ehunka kilometro gutxi batzuk segundoko). Ur behera beste elektroi batzuekin talka egitean, likidoa konprimatu egin zen eta punta metaliko baten bidez hauteman zuten pilaketa. Talka uhinak adierazten zuen fluido elektronikoaren soinuaren muga apurtu zutela.
Elektroien xuxurlatzaileak
Maisutasunaren maila berri horrek osagai elektroniko berriak ekar zitzakeen. Elektroiak fluidoak bezala mugitzen direnean, mugitzen diren bidearen formari erantzuten hasten dira. «Zure gailurako forma desberdinak erabiliz gero, fisika oso desberdinak gauzatu daitezke», dio Scaffidik.
Elektroiak fluidoak bezala ibiltzen direnean, patroi koherenteak osatzen dituzte. Fluidoaren goi mailako ezaugarri batzuk ezagutzen direnean –dentsitatea eta biskositatea, esaterako– ekuazio estandarrak erabil daitezke portaera zehazteko, elektroi bakoitzaren mugimendua erregistratu beharrik gabe.
Espero da beste sistema kuantiko edo semikuantiko konplexu batzuetan, teorikoek identifikatu ahal izatea, adibidez, kontserbazio legeak, antzeko fluxu portaerak ezagutu ahal izateko eskala handian, talde batek 2024an zirkuitu kuantiko kaotiko batzuentzat lortu bezala.
Beharbada, elektroien fluidoak garatuz joanez gero laborategian eta hidrodinamika erabili zurrunbiloak nola egiten dituzten azaltzeko, teorikoek aurkituko dute egoera enigmatikoagoak azaltzeko modua elektroiak galdatu egiten direla diruenak , esaterako, dio Lucasek, Columbiako esperimentuko kalkulu teoriko batzuk egiten lagundu zuenak. «Testu liburuko inongo paradigmarekin azaldu ezin den zerbaiten adibide oso erakargarria da», dio.
Jatorrizko artikulua:
Charlie Wood (2026). Physicists Make Electrons Flow Like Water, Quanta Magazine, 2026ko otsailaren 11a. Quanta Magazine aldizkariaren baimenarekin berrinprimatua.