Fuerzas eléctricas atractivas entre electrones en nanotubos de carbono

Dibujo20160722 excitonic mechanism attractive electrons nature535362a-f1

Cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen, pero no siempre. Hace 50 años se predijo que la repulsión entre pares de electrones puede inducir una atracción en otras parejas de electrones. El fenómeno se ha observado en nanotubos de carbono a temperaturas cercanas al cero absoluto. Se usan dos nanotubos cruzados de forma perpendicular. Dos electrones se repelen en un nanotubo, pero provocan que otros dos electrones en el otro nanotubo se atraigan entre sí. Un resultado sorprendente que podría dar lugar al diseño de nuevos tipos de superconductores.

El artículo es A. Hamo, A. Benyamini, …, S. Ilani, “Electron attraction mediated by Coulomb repulsion,” Nature 535: 395–400 (21 July2016), doi: 10.1038/nature18639; la idea original (en moléculas orgánicas en lugar de nanotubos de carbono) fue propuesta por W. A. Little, “Possibility of synthesizing an organic superconductor,” Phys. Rev. 134: A1416–A1424 (1964), doi: 10.1103/PhysRev.134.A1416. Recomiendo leer a Takis Kontos, “Condensed-matter physics: Attractive electrons from nanoengineering,” Nature 535: 362–363 (21 Jul 2016), doi: 10.1038/535362a, y a Emily Conover, “Electrons have potential for mutual attraction,” Science News, 20 Jul 2016.

** Pido disculpas a todos los lectores. La primera versión de esta entrada que se publicó ayer estaba incompleta. La edité con mi tablet y por un error con la conexión wifi no se grabaron los cambios que realicé, pero se publicó (a veces olvido que tengo que cambiar a modo borrador antes de editar en la tablet). No me he dado cuenta hasta hoy. He tratado de reconstruir la entrada como se suponía que tenía que haber sido publicado. Perdón por las molestias a todos. **

Dibujo20160722 potential repulsion vs attraction nature18639-f2

En 1964, el físico William Little (Univ. Stanford) estudió la posible superconductividad en moléculas orgánicas. En un superconductor los electrones se atraen formando pares de Cooper gracias a su interacción con los iones de la estructura cristalina (una atracción mediada por fonones). Little estudió la posibilidad de que un fenómeno similar ocurriera en entre los electrones de dos polímeros lineales colocados de forma perpendicular en el que los propios electrones de un polímero simularan el efecto de los fonones para los electrones del otro polímero.

Los electrones (desnudos) se repelen por que su potencial tiene un máximo y decae de forma monótona. Little predijo que los electrones en dos sitios fijos de una molécula lineal alteraban el potencial entre los electrones (revestidos) en dos sitios fijos de la otra molécula, generando dos mínimos locales en el potencial electrostático (revestido) alrededor del máximo central del potencial original (desnudo). Como resultado aparecía una fuerza atractiva que podría dar lugar a la formación de pares y a la superconductividad. Y lo más curioso, a una superconductividad con mayor temperatura crítica.

Dibujo20160722 experimental realization of attractive force between electrons nature18639-f1

Estudiar el fenómeno en moléculas orgánicas lineales (como polímeros orgánicos) es muy difícil porque los electrones tienen que estar muy cerca unos de otros y porque la estructura tridimensional de un polímero es muy difícil de explorar de forma experimental. El nuevo artículo ha usado en su lugar nanotubos de carbono, mucho más fáciles de manipular y cuyos electrones son más fáciles de explorar de forma experimental.

Cada nanotubo de carbono está colocados sobre dos electrodos encima de una lengüeta móvil. Los electrodos producen sendos pozos de potencial donde se encierran a los electrones. Como muestra la figura los pozos se llaman R (right) y L (left) en el nanotubo de control, y T (top) y B (bottom) en el nanotubo donde los electrones de atraen, llamado nanotubo polarizador. Las dos lengüetas permiten acercar los nanotubos en una configuración perpendicular hasta distancias de entre 100 y 150 nanómetros. Todo el sistema está enfriado a unos 10 milikelvin. Sin lugar a dudas todo un alarde técnico a nivel experimental.

Dibujo20160722 repulsion vs attraction nature18639-f2

Esta figura muestra la corriente en picoamperios en el nanotubo de control (con pozos R y L) en una escala de colores. En los ejes tenemos la diferencia de potencial entre los pozos R y L, en concreto δV=(VL−VR)/2, y el valor medio de dichos potenciales, V=(VL+VR)/2. En ausencia del nanotubo polarizador (cuando se encuentra a unos 150 nm) la fuerza entre los electrones es repulsiva (parte izquierda de la figura). En presencia del polarizador (cuando está a unos 1o0 nm) la fuerza entre los electrones es atractiva, como predice la teoría de Little.

Dibujo20160722 Dependence of pairing energy on the polarizer detuning nature18639-f4

Por supuesto, debemos ser muy cautos sobre la posibilidad de que algún día se observe la superconductividad en este sistema. Habría que usar un gran número de nanotubos que se cruzaran como en una retícula y un sistema de lenguetas que los acercaran y alejaran de forma independiente. Aún así, espero que no cueste otros 50 años observar la superconductividad predicha por Little. Una vez logrado habrá que explorar la temperatura crítica que se puede lograr. A priori, podría ser incluso más alta que la que se logra con la teoría BCS en superconductores convencionales.

En resumen, en contra de lo que todo el mundo sabe, la fuerza electrostática entre dos electrones no siempre es repulsiva, pudiendo ser atractiva. Por supuesto, se requiere la presencia de otros electrones que fuercen este cambio. Observarlo ha sido todo un alarde experimental. Sólo falta observar la superconductividad en este sistema. Gracias al ingenio de los físicos, seguro que se logrará.



2 Comentarios

  1. Excelente, no deja de sorprenderme los avances que se estan logrando en la nanotecnología y en el uso que se les está dando a los nuevos materiales y sus propiedades tan particulares!.
    Gracias francis por tu blog y mantenernos informados.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 22 julio, 2016
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science
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