Pensándolo bien...

Los electrones no son las partículas más veloces. Aunque pueden moverse a altas velocidades, especialmente bajo ciertas condiciones, hay partículas que pueden moverse a velocidades mucho mayores. Los fotones se mueven a una velocidad que es la de la luz en el vacío, aproximadamente 299,792.458 metros por segundo. Son partículas de luz y no tienen masa. Siempre se mueven a la velocidad de la luz en el vacío, que es la velocidad más alta posible en el universo según certifica la teoría de la relatividad especial de Einstein.

Los neutrinos pueden viajar a velocidades cercanas a la de la luz, aunque ligeramente más lentas porque tienen una masa muy pequeña pero no nula. Son partículas subatómicas de muy baja masa que interactúan muy débilmente con la materia, lo que les permite viajar grandes distancias sin ser detenidos.

En aceleradores de partículas, los protones y otras partículas pueden ser aceleradas a velocidades muy cercanas a la de la luz. Los protones son partículas subatómicas con carga positiva que se encuentran en el núcleo de los átomos. En los aceleradores, se utilizan campos eléctricos y magnéticos para acelerar estas partículas a velocidades extremadamente altas.

Las partículas de radiación cósmica (que incluyen protones y núcleos de helio) pueden alcanzar velocidades extremadamente altas, cercanas a la velocidad de la luz. La radiación cósmica consiste en partículas de alta energía provenientes del espacio exterior, que viajan a velocidades muy altas y pueden penetrar la atmósfera terrestre.

En condiciones normales, en materiales, la velocidad de deriva de los electrones es baja (milímetros a centímetros por segundo), pero su velocidad térmica puede ser del orden de 10⁵ m/s. En aceleradores de partículas, los electrones pueden acercarse a la velocidad de la luz. Son partículas subatómicas con carga negativa y masa pequeña. Su velocidad depende del contexto, como la temperatura o los campos eléctricos aplicados.

La velocidad a la que se mueven los electrones en distintos materiales puede variar ampliamente y depende del contexto en el que se esté considerando su movimiento. En un conductor, cuando se aplica un campo eléctrico, los electrones experimentan una velocidad neta en la dirección del campo. Esta velocidad neta se llama “velocidad de deriva” y es generalmente bastante baja.  En el cobre, que es un buen conductor, la velocidad de deriva de los electrones es del orden de milímetros por segundo o centímetros por segundo. Por ejemplo, en un alambre de cobre típico con una corriente eléctrica, la velocidad de deriva puede estar en el rango de mm/s a cm/s. Para una corriente eléctrica típica de 1 amperio en un alambre de cobre de 1 mm² de sección transversal, la velocidad de deriva es aproximadamente 0.1 mm/s. En un conductor a temperatura ambiente, los electrones se mueven a velocidades mucho más altas debido a la energía térmica. Estas velocidades se conocen como “velocidades térmicas” y son del orden de10⁵ metros por segundo. En el cobre, a temperatura ambiente, la velocidad térmica de los electrones es aproximadamente 10⁵ metros por segundo.

                                         Imagen creada con ayuda de Chat GPT

La velocidad de los electrones en semiconductores puede variar dependiendo del material y de la intensidad del campo eléctrico aplicado. Los semiconductores tienen una densidad menor de portadores de carga en comparación con los metales. En silicio, que es un semiconductor común, la velocidad de deriva puede ser del orden de 10^-2 a 10⁰ metros por segundo bajo condiciones típicas de operación en dispositivos electrónicos.

En superconductores, los electrones forman pares de Cooper y pueden moverse sin resistencia, lo que implica que no hay pérdida de energía debido a la resistencia. La velocidad de los pares de Cooper puede ser muy alta, pero su comportamiento colectivo hace que no se disipe energía en forma de calor.

En materiales aislantes, los electrones están fuertemente ligados a sus átomos y no se mueven libremente. Si se aplica un campo eléctrico suficientemente fuerte para liberar electrones, lo que conlleva romper el enlace, pueden alcanzar altas velocidades antes de colisionar con los átomos, pero este no es un comportamiento típico de los aislantes en condiciones normales.

Estas velocidades dependen de varios factores, incluyendo la temperatura, la densidad de electrones y la intensidad del campo eléctrico aplicado.

Un proceso en el que están implicados los electrones es en la reacción de los materiales al impacto de iones. Es un aspecto muy relevante en la investigación de la fusión nuclear, cuando las paredes del reactor de fusión se bombardean por iones de alta energía, pero también en la tecnología de semiconductores, cuando éstos son bombardeados con haces de iones que desencadenan la generación de estructuras diminutas. No es fácil comprender la secuencia temporal de estos procesos.

En una publicación reciente en la conocida revista científica Physical Review Letters, un equipo de investigación de la Universidad Técnica de Viena ha analizado en la escala de femtosegundo la emisión de electrones que se produce cuando un ion penetra en materiales como el grafeno o el disulfuro de molibdeno. Emplearon iones con elevada carga, como el xenón, que tiene 54 electrones en su forma neutra y le arrancaron entre 20 y 40 electrones y enfocaron el ion a una fina capa de grafeno, que solo exhibe una capa de átomos de carbono. El proceso es tan rápido que no se puede observar directamente, pero si se pueden analizar los electrones que se liberan, cuantificando el número de ellos y la energía de los mismos y poner en correlación este proceso con lo que ocurre con los iones a escala de femtosegundo.

El proceso se explica con que el ión cargado positivamente, al acercarse a la fina capa de grafeno, genera un campo eléctrico que actúa sobre los electrones del material y los impulsa en la dirección del punto de impacto. Este campo llega a ser tan fuerte que arranca los electrones y los captura el ión antes de golpear en el material. Los puntos cargados positivamente en el material se ven compensados por otros electrones que se desplazan de otras zonas de aquél. En el grafeno se forman corrientes de electrones en tiempos muy cortos. En el disufuro de molibdeno el proceso es algo más lento. Son los electrones más rápidos los que salen del material y restan los mas lentos que son recapturados.

El tiempo que requiere el ión para penetrar en el grafeno es de un femtosegundo. Por tanto, la respuesta de algunos de los electrones a radiación muy corta e intensa está en esta escala de tiempo. Los electrones en grafeno se comportan como partículas sin masa efectiva (cuasipartículas) y pueden alcanzar velocidades cercanas a 10⁶ metros por segundo. La distancia recorrida por los electrones en grafeno en un femtosegundo la distancia de un enlace carbono-carbono en grafeno, que es de 0.142 nm. Asi pues, los electrones en grafeno pueden recorrer en un femtosegundo una distancia que es aproximadamente siete veces la distancia de un enlace carbono-carbono. ¡Veloces electrones!

Sopa de letras: VELOCES ELECTRONES

Soluciones: EL CERO EN EL CEREBRO