Cuando los electrones que se repelen entre sí están confinados a un espacio pequeño, pueden formar un estado cristalino ordenado conocido como cristal de Wigner. Observar el frágil cristal es complicado, ya que requiere condiciones extremas que incluyen bajas temperaturas y densidades, así como sondas de imágenes no invasivas. Para superar las desafiantes condiciones de la obtención de imágenes, I. Shapir y un equipo de investigación en los departamentos de Física y Física de la Materia Condensada en Israel, Rumania y Hungría crearon condiciones en un nanotubo de carbono (NT) para albergar los electrones. Siguieron este paso experimental utilizando un segundo nanotubo como sonda (llamada "sonda NT") para escanear el primer nanotubo (denominado "sistema NT"). Los físicos midieron las densidades electrónicas y mostraron su coherencia con las predicciones teóricas para demostrar pequeños cristales de Wigner de hasta seis electrones en una dimensión (1-D). Los resultados ahora se publican en Ciencias .

Hace más de 80 años, El físico Eugene Wigner predijo el cristal cuántico de electrones, que sigue siendo uno de los estados más esquivos de la materia. En el presente trabajo, Shapir y sus colaboradores desarrollaron una técnica para obtener imágenes directas del cristal de Wigner en 1-D obteniendo imágenes de su densidad de carga en el espacio real. Obtuvieron imágenes de unos pocos electrones confinados en 1-D que coincidían con las predicciones teóricas para cristales que interactuaban fuertemente. Los científicos vieron la naturaleza cuántica del cristal utilizando un túnel colectivo a través de una barrera de potencial eléctrico confinada con puertas eléctricamente independientes. El trabajo proporcionó evidencia directa de la formación de pequeños cristales de Wigner, allanando el camino para estudiar los frágiles estados de interacción de los electrones mediante la obtención de imágenes de su densidad de muchos cuerpos en el espacio real.

En su artículo de 1934, El físico Eugene Wigner predijo que cuando las interacciones de Coulomb de largo alcance en un sistema de electrones dominaban la energía cinética y el desorden, emergerían en un estado fundamental cristalino. Donde los electrones se mantuvieron separados independientemente de su número cuántico. Los físicos experimentales comenzaron a buscar este cristal cuántico en los sistemas electrónicos más limpios disponibles a partir de entonces, incluyendo helio líquido y heteroestructuras semiconductoras de baja dimensión.

Los físicos habían realizado previamente mediciones en sistemas electrónicos bidimensionales (2-D) en relación con el transporte, campos de microondas, resonancia magnética nuclear, óptico, sistemas de electrones de túnel y bicapa para indicar la existencia de un cristal en campos magnéticos elevados. Observando un estado cristalino en una dimensión (1-D), en un sistema infinito es inesperado, ya que las fluctuaciones térmicas y cuánticas pueden destruir el orden de largo alcance. Sin embargo, en sistemas finitos, Los físicos habían estudiado el estado cristalino teórico unidimensional de Wigner ya que el orden de rango casi largo producía correlaciones cristalinas. Los físicos experimentales siguieron esta observación con sondeos experimentales a través de mediciones de transporte, pero los experimentos solo pudieron probar las propiedades macroscópicas de este estado.

En principio, Se requiere una herramienta de imagen adecuada para observar la huella dactilar inequívoca de un cristal Wigner en su estructura de espacio real. Por lo tanto, los científicos utilizaron experimentos de exploración con sondas, aunque solo podían obtener imágenes del estado de no interacción o mostrar una compuerta invasiva por la sonda. Las mediciones destacaron la dificultad inherente de obtener imágenes de las interacciones de los electrones con los métodos de exploración convencionales. Para resolver e identificar electrones individualmente, un macroscópico, La punta metálica o dieléctrica debe acercarse a los electrones más cerca que su separación mutua. Sin embargo, tales consejos y sus interacciones pueden distorsionar fuertemente el estado que se está estudiando. Por lo tanto, los científicos necesitaban una sonda de exploración diferente para obtener imágenes de un estado o sistema de electrones en interacción.

En el presente trabajo, Shapir y col. introdujo una plataforma de sonda de barrido que utilizaba un nanotubo de carbono (NT) como un sonda de exploración mínimamente invasiva para ver la densidad de muchos cuerpos de electrones que interactúan fuertemente. La plataforma contenía un microscopio de sonda de escaneo hecho a medida que operaba a temperaturas criogénicas (~ 10 mK) donde dos dispositivos NT opuestos podían acercarse y escanearse uno junto al otro. Los científicos utilizaron un dispositivo para alojar el sistema NT como la plataforma 1-D en estudio, y el segundo dispositivo perpendicularmente al para contener la sonda NT. Ensamblaron los dos dispositivos utilizando una técnica de nanoensamblaje para formar NT prístinos suspendidos sobre una serie de puertas metálicas.

Los científicos mantuvieron de manera crucial interacciones fuertes y un bajo desorden en el sistema para obtener un cristal de Wigner suspendiendo las NT muy por encima de las puertas metálicas a 400 nm. Luego, usando 10 puertas eléctricamente independientes, diseñaron un potencial que confinaba los electrones entre dos barreras separadas por 1 µm, localizarlos centralmente en un nanotubo largo suspendido, lejos de los contactos para evitar interacciones indeseables.

Shapir y col. utilizaron barreras muy opacas para evitar la hibridación de la función de onda del electrón confinado con las de los electrones en el resto de la NT. Dado que el transporte en esta situación estaba muy suprimido, los científicos probaron los electrones confinados usando un detector de carga ubicado en un segmento separado del mismo NT. El dispositivo de sonda NT utilizado por separado en el estudio mantuvo una estructura casi idéntica, que solo se diferenciaba por la longitud de suspensión de 1,6 µm y el número de puertas (tres).

Los científicos demostraron el principio de funcionamiento subyacente a la técnica de imágenes conocida como "carga de escaneo, "comenzando con los experimentos más simples para obtener imágenes de la distribución de carga de un solo electrón confinado en una caja 1-D. Shapir et al. midieron la respuesta energética del sistema a una perturbación escaneada (agitación) y determinaron directamente la distribución de densidad del sistema. medir la energía del sistema en función de la sonda NT, los científicos resolvieron directamente el perfil de densidad del electrón. Al medir la energía, los científicos lo refirieron a la energía de Fermi en los cables y atribuyeron la perturbación producida por las sondas a la separación entre las dos NT ya la carga confinada dentro de la sonda NT.

Shapir y col. obtuvieron seis paneles en los experimentos para indicar la densidad diferencial de los seis electrones añadidos al sistema NT. Para perturbaciones mínimas, realizaron todas las exploraciones con un electrón en la sonda NT. Los perfiles de densidad de las imágenes diferían claramente de los predichos por la física de una sola partícula, pero coincidían con los de un cristal que interactuaba fuertemente. Cuando Shapir et al. aumentó el número de electrones, el espaciado de electrones reducido, aunque su velocidad general aumentó para significar electrones confinados en una "caja" con paredes blandas. Las imágenes resultantes proporcionadas directamente, observaciones en el espacio real de los cristales electrónicos Wigner.

Para comprender cuantitativamente las medidas, Shapir y col. realizó cálculos del grupo de renormalización de matriz de densidad (DMRG) e incluyó interacciones de Coulomb de largo alcance. Las posiciones de los electrones medidas (vistas como estrellas verdes) coincidían bien con las predichas por DMRG, colocando los cristales observados dentro del régimen de interacción fuerte en la configuración experimental. Para comprender la naturaleza cuántica del cristal Wigner, Shapir y col. midió las características de tunelización del cristal y esperaba que las correlaciones entre los electrones en un cristal hicieran que el cristal hiciera un túnel a través de una barrera colectivamente. Observaron que la densidad diferencial de túnel se volvía más interesante en un sistema con más de un electrón, ya que mostraba huellas digitales directas de movimiento colectivo.

De este modo, Shapir y col. utilizó un nuevo método para obtener imágenes directamente del orden espacial de los electrones que interactúan. Según los resultados, anticipan la posibilidad de abordar preguntas básicas adicionales relacionadas con el cristal electrónico cuántico, incluyendo la naturaleza de su ordenamiento magnético. La plataforma de escaneo desarrollada por Shapir et al. permitirá una mayor exploración de una amplia gama de estados canónicos de la materia que interactúan con los electrones que antes estaban fuera del alcance de las imágenes.

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