Por primera vez, Los físicos del MIT han observado un cristal de electrones muy ordenado en un material semiconductor y han documentado su fusión. muy parecido al hielo que se derrite en agua. Las observaciones confirman una transición de fase fundamental en la mecánica cuántica que se propuso teóricamente hace más de 80 años, pero que no se ha documentado experimentalmente hasta ahora.

El equipo, dirigido por el profesor de física del MIT Raymond Ashoori y su postdoctorado Joonho Jang, utilizó una técnica de espectroscopia desarrollada en el grupo de Ashoori. El método se basa en la tunelización de electrones, "un proceso de mecánica cuántica que permite a los investigadores inyectar electrones a energías precisas en un sistema de interés, en este caso, un sistema de electrones atrapados en dos dimensiones. El método utiliza cientos de miles de pulsos eléctricos cortos para sondear una hoja de electrones en un material semiconductor enfriado a temperaturas extremadamente bajas. justo por encima del cero absoluto.

Con su técnica de tunelización, los investigadores inyectaron electrones en el material superenfriado para medir los estados de energía de los electrones dentro de la hoja semiconductora. Contra un fondo borroso detectaron un fuerte aumento en los datos. Después de mucho análisis, determinaron que el pico era la señal precisa que se emitiría a partir de un cristal altamente ordenado de electrones que vibraban al unísono.

A medida que el grupo aumentó la densidad de electrones, esencialmente empacándolos en cuartos cada vez más ajustados dentro de la hoja, encontraron que el pico de datos se disparó a energías más altas, luego desapareció por completo, precisamente a una densidad de electrones a la que se ha predicho que se fundirá un cristal electrónico.

Los investigadores creen que finalmente han capturado el proceso de fusión cuántica, una transición de fase en la mecánica cuántica, en el que los electrones que han formado una estructura cristalina puramente a través de sus interacciones cuánticas se funden en un fluido más desordenado, en respuesta a las fluctuaciones cuánticas de su densidad.

"Vimos algo radicalmente nuevo, "Dice Ashoori." Ha habido muchas personas que buscan durante mucho tiempo demostrar cómo se funde un cristal electrónico, y creo que lo hemos logrado ".

Ashoori y Jang publicaron sus resultados la semana pasada en la revista. Física de la naturaleza . Sus coautores son el ex postdoctorado del MIT Benjamin Hunt, y Loren Pfeiffer y Kenneth West de la Universidad de Princeton.

Una idea cristalizante

La idea de un cristal de electrones fue propuesta por primera vez en 1934 por el físico húngaro-estadounidense Eugene Wigner. Normalmente, Los metales semiconductores como el silicio y el aluminio son capaces de conducir la electricidad en forma de electrones que hacen ping-pong a la velocidad del rayo. creando una corriente a través del material.

Sin embargo, a temperaturas ultrafrías, los electrones en estos metales deberían moler casi hasta detenerse, ya que queda muy poco calor para estimular sus movimientos. Cualquier movimiento que exhiban los electrones, luego, debería deberse a interacciones cuánticas:las fuerzas invisibles entre electrones individuales y otros cuánticos, partículas subatómicas.

Electrones estar cargado negativamente, naturalmente se repelen entre sí. Wigner propuso que para electrones superenfriados a bajas densidades, sus fuerzas repulsivas mutuas deberían actuar como una especie de andamio, manteniendo los electrones juntos pero separados a intervalos igualmente espaciados, creando así un cristal de electrones. Una disposición tan rígida, que desde entonces ha sido acuñado como un cristal Wigner, debe convertir un metal en un aislante en lugar de un conductor eléctrico.

A través de un túnel cuántico

Desde la propuesta de Wigner, otros han intentado observar un cristal Wigner en el laboratorio, con resultados no concluyentes. Por su parte, Ashoori y Jang no se propusieron originalmente encontrar un cristal Wigner, sino que simplemente quería sondear una hoja bidimensional de electrones utilizando su técnica de túnel de electrones.

Durante la última década, el grupo ha desarrollado y mejorado su técnica, que implica disparar electrones a través de una barrera para sondear los estados de energía de un material en el otro lado. La mecánica cuántica dicta que existe la probabilidad de que cualquier objeto en el universo pueda cruzar o "hacer un túnel" a través de una barrera aparentemente impenetrable y salir por el otro lado sin cambios.

Esta idea es clave para la técnica de tunelización de los investigadores, en el que disparan electrones a través de una barrera semiconductora, a una hoja bidimensional subyacente de electrones. Allí, los electrones tunelizados pueden causar vibraciones en los electrones circundantes, las energías que los investigadores pueden medir, dadas las energías conocidas de los electrones tunelizadores.

Un "descubrimiento fortuito"

En sus experimentos, el equipo sondeó una lámina semiconductora de arseniuro de galio debajo de una barrera de arseniuro de galio y aluminio. Los investigadores enfriaron toda la muestra a solo una fracción por encima del cero absoluto y aplicaron pulsos de electrones a diferentes energías. luego analizó los datos resultantes.

Cuando Jang notó el fuerte aumento en los datos, examinó la literatura teórica anterior para explicar la característica y finalmente llegó a la conclusión de que el pico, dada la temperatura y la densidad de electrones a la que se formó, sólo podría ser la firma de un cristal de electrones vibrando al unísono.

"Muchas de las predicciones teóricas coincidieron con nuestras observaciones, así que eso, pensamos, era una pistola humeante, "Dice Jang." Observamos el sonido de un cristal de electrones ".

Los investigadores dieron un paso más para ver qué pasaría si modificaban la densidad de electrones en la hoja bidimensional. A medida que aumentaba la densidad, las energías vibratorias del cristal de electrones también lo hicieron, eventualmente alcanzando su punto máximo, luego desaparece en el punto exacto en el que las teorías han predicho que un cristal debería fundirse. El cristal de electrones, los investigadores supusieron, debe haberse vuelto tan densa que toda la estructura se derrumbó en una más desordenada, estado fluido.

"Nadie ha visto este sistema con este tipo de resolución, "Dice Ashoori." Fue totalmente un descubrimiento fortuito ".

El equipo está trabajando para mejorar aún más la resolución de su técnica de túnel de electrones, con la esperanza de usarlo para discernir las formas específicas de los cristales de electrones.

"Los diferentes cristales tienen diferentes modos de vibración, y si tuviéramos mejor resolución, podríamos determinar si hay ciertos picos en la curva de vibración que significan diferentes modos, o formas, "Dice Ashoori." Hay razones para creer que podemos determinar eso con el tiempo ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.