Electrones que se comportan como tsunamis

Imagen en la que se superponen el flujo ramificado (zonas oscuras) y el sistema periódico que lo produce (tonos azules y rojos). A pesar de la regularidad del sistema, el patrón de propagación de esta onda es altamente irregular.

Físicos de la URJC, Harvard y la Universidad de Tampere han estudiado cómo la propagación de electrones en una red periódica puede producir un patrón arborescente. Esta estructura es la misma que se origina en los tsunamis.

 

URJC-UCC+i/DICYT

Al tirar una piedra en un estanque, el agua se ondula formando círculos concéntricos que viajan hacia la orilla. La energía se distribuye uniformemente, de tal modo que a medida que nos alejamos del punto en el que cayó la piedra el efecto que percibimos es menor. Sin embargo, esto no es lo que ocurre en los tsunamis.

Tsunami. / DICYT

Debido a las irregularidades del fondo oceánico, los tsunamis no distribuyen su energía de forma homogénea, sino que se acumula en algunas ramas especialmente intensas, con las devastadoras consecuencias que se conocen. Este flujo ramificado (branched flow) es un fenómeno común a todas las ondas que se propagan por medios irregulares, incluyendo ejemplos tan diversos como electrones que viajan en gases bidimensionales, la luz de un láser atravesando pompas de jabón o los propios tsunamis.

Físicos de la Universidad Rey Juan Carlos (URJC), Harvard y la Universidad de Tampere, en su reciente artículo publicado en la prestigiosa revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), han demostrado por primera vez que el flujo ramificado también puede ocurrir en sistemas regulares o periódicos, lo que abre un nuevo abanico de aplicaciones.

“Este es un descubrimiento revolucionario porque hasta ahora los investigadores no esperábamos ver un flujo ramificado caótico en medios ordenados, como en sólidos donde los átomos forman una red ordenada”, señala Esa Räsänen

“Este es un descubrimiento revolucionario porque hasta ahora los investigadores no esperábamos ver un flujo ramificado caótico en medios ordenados, como en sólidos donde los átomos forman una red ordenada”, señala Esa Räsänen, profesor de la Unidad de Física de la Universidad de Tampere y coautor del artículo. El paradigma tradicional para describir los sistemas periódicos son las ondas de Bloch, funciones que reflejan la periodicidad del sistema. Sin embargo, utilizando estas funciones periódicas es difícil imaginar estructuras tan irregulares como las del flujo ramificado.

“Hemos adoptado una perspectiva diferente en el estudio de estos sistemas periódicos, valiéndonos de herramientas de la mecánica cuántica dependiente del tiempo y de la dinámica no lineal”, comenta Álvar Daza, investigador del Grupo de Dinámica No Lineal y Sistemas Complejos de la URJC, quien comenzó estas investigaciones durante su estancia en el grupo del profesor Eric Heller en la universidad de Harvard.

Uno de los aspectos más importantes del trabajo es que algunas de las ramas que se producen en los sistemas periódicos son infinitamente estables

Uno de los aspectos más importantes del trabajo es que algunas de las ramas que se producen en los sistemas periódicos son infinitamente estables, dando lugar a lo que los autores han llamado supercables. “Lo interesante es que los electrones que viajan por estos supercables tienen energía suficiente para ir a algún otro lado y dispersarse, pero la dinámica del sistema hace que permanezcan estables”, explica Álvar Daza. “El descubrimiento del flujo ramificado de electrones puede abrir aplicaciones innovadoras en la carrera por encontrar nuevos superconductores entre los materiales bidimensionales, como el grafeno y sus muchos derivados”, concluye Räsänen.

Referencia bibliográfica:
Daza, A., Heller, E. J., Graf, A. M., & Räsänen, E. (2021). Propagation of waves in high Brillouin zones: Chaotic branched flow and stable superwires. Proceedings of the National Academy of Sciences, 118(40).

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