Los investigadores de ETH Zurich han logrado observar un cristal que consta solo de electrones. Estos cristales de Wigner ya se predijeron hace casi noventa años, pero solo ahora se pueden observar directamente en un material semiconductor.

Los cristales han fascinado a la gente a lo largo de los siglos. ¿Quién no ha admirado los complejos patrones de un copo de nieve en algún momento? ¿O las superficies perfectamente simétricas de un cristal de roca? La magia no se detiene incluso si se sabe que todo esto resulta de una simple interacción de atracción y repulsión entre átomos y electrones. Un equipo de investigadores dirigido por Ataç Imamoğlu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich, ahora han producido un cristal muy especial. A diferencia de los cristales normales, consta exclusivamente de electrones. Al hacerlo, han confirmado una predicción teórica que se hizo hace casi noventa años y que desde entonces se ha considerado como una especie de santo grial de la física de la materia condensada. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica Naturaleza .

Una predicción de décadas

"Lo que nos entusiasmó con este problema es su simplicidad, "dice Imamoğlu. Ya en 1934 Eugene Wigner, uno de los fundadores de la teoría de las simetrías en mecánica cuántica, mostró que los electrones en un material teóricamente podrían organizarse en forma regular, Patrones cristalinos debido a su repulsión eléctrica mutua. El razonamiento detrás de esto es bastante simple:si la energía de la repulsión eléctrica entre los electrones es mayor que su energía de movimiento, se organizarán de tal manera que su energía total sea lo más pequeña posible.

Durante varias décadas, sin embargo, esta predicción siguió siendo puramente teórica, ya que esos "cristales de Wigner" sólo pueden formarse en condiciones extremas, como bajas temperaturas y una cantidad muy pequeña de electrones libres en el material. Esto se debe en parte a que los electrones son miles de veces más ligeros que los átomos, lo que significa que su energía de movimiento en una disposición regular es típicamente mucho mayor que la energía electrostática debido a la interacción entre los electrones.

Electrones en un plano

Para superar esos obstáculos, Imamoğlu y sus colaboradores eligieron una capa fina como una oblea del material semiconductor diselenuro de molibdeno que tiene solo un átomo de espesor y en la que, por lo tanto, los electrones solo pueden moverse en un plano. Los investigadores pudieron variar la cantidad de electrones libres aplicando un voltaje a dos electrodos de grafeno transparentes, entre los cuales se intercala el semiconductor. Según consideraciones teóricas, las propiedades eléctricas del diselenuro de molibdeno deberían favorecer la formación de un cristal de Wigner, siempre que todo el aparato se enfríe unos pocos grados por encima del cero absoluto de menos 273,15 grados Celsius.

Sin embargo, solo producir un cristal Wigner no es suficiente. "El siguiente problema fue demostrar que en realidad teníamos cristales de Wigner en nuestro aparato, "dice Tomasz Smoleński, quien es el autor principal de la publicación y trabaja como postdoctorado en el laboratorio de Imamoğlu. Se calculó que la separación entre los electrones era de alrededor de 20 nanómetros, o aproximadamente treinta veces más pequeño que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, imposible de resolver incluso con los mejores microscopios.

Detección mediante excitones

Usando un truco, los físicos lograron hacer visible la disposición regular de los electrones a pesar de esa pequeña separación en la red cristalina. Para hacerlo utilizaron luz de una frecuencia particular para excitar los llamados excitones en la capa semiconductora. Los excitones son pares de electrones y "huecos" que resultan de la falta de un electrón en un nivel de energía del material. La frecuencia de luz precisa para la creación de tales excitones y la velocidad a la que se mueven dependen tanto de las propiedades del material como de la interacción con otros electrones en el material, con un cristal de Wigner, por ejemplo.

La disposición periódica de los electrones en el cristal da lugar a un efecto que a veces se puede ver en la televisión. Cuando una bicicleta o un automóvil van cada vez más rápido, por encima de una cierta velocidad, las ruedas parecen detenerse y luego girar en la dirección opuesta. Esto se debe a que la cámara toma una instantánea de la rueda cada 40 milisegundos. Si en ese tiempo los radios de la rueda espaciados regularmente se han movido exactamente a la distancia entre los radios, la rueda parece no girar más. Similar, en presencia de un cristal Wigner, los excitones en movimiento parecen estacionarios siempre que se muevan a una cierta velocidad determinada por la separación de los electrones en la red cristalina.

Primera observación directa

"Un grupo de físicos teóricos dirigido por Eugene Demler de la Universidad de Harvard, quién se mudará a ETH este año, había calculado teóricamente cómo debería aparecer ese efecto en las frecuencias de excitación observadas de los excitones, y eso es exactamente lo que observamos en el laboratorio, ", Dice Imamoğlu. A diferencia de los experimentos anteriores basados ​​en semiconductores planos, en el que los cristales de Wigner se observaron indirectamente a través de mediciones de corriente, esta es una confirmación directa de la disposición regular de los electrones en el cristal. En el futuro, con su nuevo método, Imamoğlu y sus colegas esperan investigar exactamente cómo se forman los cristales de Wigner a partir de un "líquido" desordenado de electrones.