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Eletrônica viscosa: Elétrons não fluem como bolinhas, mas como um fluido viscoso
Eletrônica viscosa
Conecte um cabo a uma tomada e você dará início a uma enxurrada de elétrons que lhe permitirá acionar toda a nossa tecnologia, de uma lâmpada ou liquidificador até o mais moderno supercomputador.
Os professores nos ensinam como isso é possível – como os elétrons se comportam nos metais dos fios ou nos semicondutores dos eletrônicos – por meio de um modelo simples: Os elétrons são imaginados como partículas minúsculas e independentes, muito parecidas com carros em uma rodovia, cada um se movendo livremente, com sorte sem nenhuma interação uns com os outros. É uma ótima explicação, permitindo não apenas entender, mas também projetar os dispositivos eletroeletrônicos que sustentam a vida moderna.
Mas esse modelo não funciona mais no nível em que nossa eletrônica chegou, quando lidamos com materiais na escala dos nanômetros, envolvendo os fios mais finos que é possível fabricar. As coisas ficam tão estranhas que até parece que os elétrons se dividem, questionando a explicação clássica de que eles deveriam ser uma partícula fundamental e, portanto indivisível.
Mikhail Kravtsov e seus colegas da Universidade Nacional de Cingapura acreditam que esse hiato em nossa compreensão dos elétrons e do seu fluxo – da eletricidade, enfim – pode ser transposto se pararmos de encarar os elétrons como partículas, e passarmos a vê-los como participantes de um movimento conjunto, de uma forma que se assemelha a um fluido viscoso, como o óleo ou o mel.
Bolômetro terahertz
Para provar seu ponto, Kravtsov pegou um pedaço de grafeno e, por assim dizer, o colocou em um forno, e então observou como a eletricidade fluía através dele em várias temperaturas. O princípio do experimento é simples: Se os elétrons realmente se comportam conjuntamente como um fluido viscoso, a temperatura deve alterar a viscosidade desse fluido e, assim, alterar o fluxo de eletricidade.
Deu certo: O modelo que a equipe chama de “eletrônica viscosa” – dos elétrons correndo como um fluido viscoso – explicou com precisão os dados experimentais, de modo muito parecido com a forma como óleo, mel e outros fluidos viscosos fluem mais facilmente quando aquecidos em um fogão.
Quando o grafeno é exposto à radiação eletromagnética de altíssima frequência – não é um forno de micro-ondas, mas um forno de ondas terahertz (THz) -, o fluido de elétrons se aquece e sua viscosidade é drasticamente reduzida, resultando em menor resistência elétrica.
Mas o experimento vai muito além da ciência básica. Ao usar o grafeno para medir a influência da radiação terahertz – o efeito dessa radiação na redução da viscosidade – a equipe criou uma nova classe de sensor eletrônico que permite detectar as ondas terahertz, o que tem sido o grande desafio para viabilizar uma infinidade de tecnologias prometidas por elas.
Tecnicamente chamado de bolômetro de elétrons viscosos, o novo sensor é capaz de detectar mudanças na resistência elétrica de forma extremamente precisa e rápida, operando, em princípio, na escala de picossegundos, ou trilionésimos de segundo.
O que a tecnologia THz promete?
As ondas de terahertz (THz) são uma parte especial e tecnologicamente desafiadora do espectro eletromagnético, situadas entre as micro-ondas e a luz infravermelha. Essa faixa tem uma vasta gama de aplicações potenciais, mas essas aplicações têm demorado porque é muito difícil detectar ondas na faixa dos THz.
Em comunicações, por exemplo, a tecnologia Wi-Fi atual opera na faixa dos GHz, limitando a quantidade de dados que podem ser transmitidos. A radiação THz, com sua frequência muito mais alta, pode servir como a frequência portadora para redes ultrarrápidas, indo além do 5G, permitindo transferência de dados mais rápida para dispositivos conectados à Internet das Coisas (IoT), carros autônomos e inúmeras outras aplicações.
Em imagens médicas e no controle de qualidade industrial, as ondas THz podem penetrar muitos materiais, tornando-as úteis para varreduras não invasivas e não destrutivas. Elas também são mais seguras do que os raios X, fornecendo uma ferramenta de imagem altamente seletiva e precisa.
Indo mais longe, a visão THz promete um novo impulso à astronomia observacional, permitindo observar galáxias mais distantes e exoplanetas que não podem ser vistos pela luz visível.
Bibliografia:
Artigo: Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene
Autores: Mikhail Kravtsov, A. L. Shilov, Y. Yang, T. Pryadilin, M. A. Kashchenko, O. Popova, M. Titova, D. Voropaev, Y. Wang, K. Shein, I. Gayduchenko, G. N. Goltsman, M. Lukianov, A. Kudriashov, T. Taniguchi, K. Watanabe, D. A. Svintsov, S. Adam, K. S. Novoselov, A. Principi, D. A. Bandurin
Revista: Nature Nanotechnology
DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y
