Hacen que los electrones fluyan como el agua
Describimos la electricidad como un flujo, pero eso no es lo que ocurre en un cable convencional. Los físicos han empezado a inducir a los electrones para que actúen como un fluido, un esfuerzo que podría iluminar nuevas formas de pensar sobre los sistemas cuánticos.
Un artículo de Charlie Wood. Historia original reimpresa con permiso de Quanta Magazine, una publicación editorialmente independiente respaldada por la Fundación Simons.
Si te pidieran que imaginaras cómo se mueven los electrones, se te podría perdonar que visualizaras una corriente de partículas fluyendo por un cable como el agua que corre por una tubería. Al fin y al cabo, a menudo describimos a los electrones como algo que «fluye» en una «corriente eléctrica». En realidad, el agua y la electricidad fluyen de maneras completamente distintas. Mientras que las moléculas de agua se mueven juntas para formar una sustancia coherente y turbulenta, los electrones tienden a pasar de largo unos de otros. «El agua no ve nada más que otra agua», afirma Cory Dean, físico de la Universidad de Columbia, «pero en un sistema electrónico, en un cable, es evidente que ese no es el caso».
Las moléculas de agua se unen para fluir, pero cada electrón actúa por su cuenta. Este movimiento de «cada partícula para sí misma» constituye el fundamento de toda la teoría electrónica. Explica por qué un cable caliente ofrece más resistencia que uno frío, y por qué un cable redondo conduce tan bien como uno cuadrado.
Sin embargo, desde la década de 1960, los teóricos han sospechado que los electrones pueden ser persuadidos para actuar de forma más parecida a sus homólogos acuosos y formar un fluido electrónico. En los últimos años, una serie de experimentos ha confirmado esta predicción. El pasado otoño, en la demostración más espectacular hasta la fecha, Dean y sus colaboradores lograron que los electrones formaran un tipo de onda de choque que ocurre cuando un fluido que se desplaza rápidamente choca contra otro que se mueve con lentitud. Fue una señal inequívoca de que los electrones fluían a velocidades extremadamente altas.
Impactar frente a fluir
Andrew Lucas, físico teórico de la Universidad de Colorado en Boulder, compara el viaje de los electrones por un cable con el de las bolas en una máquina recreativa. Una vez que entran en el campo de juego, las bolas rebotan en todas direcciones, saliendo despedidas de las paletas y los parachoques. Viajan hacia arriba, hacia abajo y por toda la máquina.
Del mismo modo, cuando los electrones en un cable de cobre colisionan con los átomos de cobre en vibración o con las «impurezas» del metal, rebotan en todas direcciones. En promedio, las bolas de la máquina sí tienden a desplazarse más hacia abajo que hacia arriba; en este sentido, «fluyen» hacia abajo. Analógicamente, el «flujo» de electrones surge solo en un sentido estadístico; un campo eléctrico establece una dirección preferente, aunque muy leve, en el cable.
Pero este es un tipo de flujo peculiar. Un electrón choca con una impureza de forma muy similar a como un saquito de arena choca contra el suelo: es más un impacto seco que un rebote. La impureza drena la energía del electrón, impidiendo que acumule mucho momento lineal. En consecuencia, los electrones se mueven a través de un cable de forma parecida a como el agua se filtra a través de arena compacta, un movimiento que los físicos describen como un flujo «dispersivo».
Por el contrario, las moléculas de agua que fluyen por una tubería colisionan casi exclusivamente entre sí. Y cuando lo hacen, rebotan como bolas de billar: comparten su momento y siguen moviéndose. Esta capacidad de las moléculas de agua para «conservar» su momento lineal define la naturaleza de la liquidez.
En 1963, Radii Gurzhi, un físico sociético, fue el primero en calcular qué sucedería si los electrones pudieran conservar su momento lineal como las moléculas de agua. Gurzhi descubrió que la diferencia radicaría en cómo reaccionaría la corriente eléctrica al calor. Calentar un cable de cobre suele dificultar la corriente , pero Gurzhi calculó que si se conservara el momento, el calor haría que los electrones se movieran con más facilidad, de forma similar a como la miel caliente es más fluida que la fría. Su observación pasó a conocerse como el efecto Gurzhi.
El papel del grafeno
En 2004, Andre Geim y Konstantin Novoselov anunciaron el descubrimiento del grafeno. Una capa de grafeno era como una máquina de recreativa sin parachoques. «Es sencillamente un cristal termodinámicamente hermoso», afirma Dean. Cuando los físicos lograron estudiarlo sin interferencias, detectaron electrones fluyendo de verdad.
En un experimento inicial, en 2017, Geim y sus colaboradores tallaron un punto de estrangulamiento en una tira de grafeno, introdujeron electrones a través de él y midieron la resistencia. Descubrieron que, al aumentar la temperatura, la resistencia disminuía: el efecto Gurzhi en acción.
Y en 2022, físicos del Instituto de Ciencias Weizmann de Israel lograron observar directamente el flujo de electrones. Moldearon un material con ciertas similitudes con el grafeno, llamado diseleniuro de tungsteno, en un alambre vertical flanqueado a la mitad por dos círculos que se asemejaban a las orejas de Mickey Mouse. A medida que los electrones fluían hacia las orejas al descender por el alambre, el grupo monitorizó su movimiento midiendo el campo magnético que generaban al moverse alrededor del alambre. Al hacerlo, observaron corrientes eléctricas fluídicas que se arremolinaban hacia atrás en las orejas: remolinos de electrones. Los remolinos se asemejaban a los remolinos que se forman cuando parte de la corriente de un río toma una curva y gira río arriba.
“Realmente pueden ver estos vórtices”, apunta Scaffidi, quien colaboró con el grupo de Geim en otro experimento de fluido electrónico, también en 2022.
Rumbo a lo supersónico
En 2025, Johannes Geurs decidió llevar la idea de los fluidos electrónicos «al extremo». Cuando un avión acelera más allá de la barrera del sonido, genera una onda de choque conocida como explosión sónica. Geurs se preguntó si sería posible romper una barrera del sonido análoga con los propios electrones.
Para lograrlo, talló una tira de grafeno con una forma conocida como tobera de Laval. Luego envió electrones a través del estrechamiento, impulsando su velocidad por encima del ritmo al que viajan las ondulaciones en el fluido de electrones (unos pocos cientos de kilómetros por segundo). Al chocar con otros electrones aguas abajo, el líquido se comprimió y detectaron la acumulación mediante una punta metálica. La onda de choque indicaba que habían roto la barrera del sonido del fluido electrónico.
Los susurradores de electrones
Este nuevo nivel de maestría podría conducir a componentes electrónicos novedosos. Cuando los electrones se mueven como fluidos, empiezan a responder a la forma del canal por el que se desplazan. «Al usar diferentes formas para tu dispositivo, puedes materializar físicas muy distintas», afirma Scaffidi.
Cuando los electrones fluyen como fluidos forman patrones coherentes. Una vez que se conocen algunas propiedades de alto nivel del fluido, como la densidad y la viscosidad, se pueden usar ecuaciones estándar para determinar su comportamiento, sin necesidad de registrar el movimiento de cada electrón.
Se espera que, en otros sistemas cuánticos o semicuánticos complejos, los teóricos puedan, por ejemplo, identificar leyes de conservación que les ayuden a reconocer comportamientos de flujo similares a gran escala, como un grupo logró hacer para ciertos circuitos cuánticos caóticos en 2024.
Quizás, al continuar desarrollando fluidos de electrones en el laboratorio y utilizando la hidrodinámica para describir cómo se arremolinan, los teóricos encuentren la manera de describir otras situaciones más enigmáticas en las que los electrones parecen fundirse, aventura Lucas, quien colaboró con algunos de los cálculos teóricos del experimento de Columbia. «Es un ejemplo muy atractivo de algo que no se puede explicar con ningún paradigma de libro de texto», concluye.
El artículo original, Physicists Make Electrons Flow Like Water, se publicó el 11 de febrero de 2026 en Quanta Magazine. Cuaderno de Cultura Científica tiene un acuerdo de distribución en castellano con Quanta Magazine.
Traducido por César Tomé López
