Vista de pájaro de un cristal de gravedad utilizando esferas de aluminio de tamaño mm colocadas sobre una superficie conductora en forma de cuenco. Se aplicó alto voltaje de un generador Van de Graaff a través de la superficie inferior (grafito) y se colocó una ventana conductora transparente unos centímetros por encima de las bolas. Una vez cargada, las esferas de aluminio se repelen, eventualmente formando un patrón periódico con orden de corto y largo alcance. Crédito:Alexander Bataller
Coge un tazón para mezclar de tu cocina, arrojar un puñado de bolas de aluminio, aplicar un poco de alto voltaje, y observe cómo se desarrolla un baile elegante donde las partículas se reorganizan en un patrón de "cristal" distintivo. Este curioso comportamiento pertenece al fenómeno conocido como cristalización de Wigner, donde las partículas con la misma carga eléctrica se repelen entre sí para formar una estructura ordenada.
La cristalización de Wigner se ha observado en una variedad de sistemas, que van desde partículas del tamaño de granos de arena suspendidas en pequeñas nubes de electrones e iones (llamadas plasma polvoriento) hasta el interior denso de estrellas del tamaño de un planeta, conocidas como enanas blancas. El profesor Alex Bataller de la Universidad Estatal de Carolina del Norte ha descubierto recientemente que la cristalización de Wigner dentro de las enanas blancas se puede estudiar en el laboratorio utilizando una nueva clase de sistemas clásicos. llamados cristales de gravedad.
Para que ocurra el curioso comportamiento de la cristalización de Wigner, debe haber un sistema compuesto por partículas cargadas que sean libres de moverse (plasma), que interactúan fuertemente entre sí (partículas fuertemente acopladas), y tiene la presencia de una fuerza de confinamiento para evitar que las partículas de plasma exploten de forma repulsiva entre sí.
Para estudiar esta condición para escalas pequeñas en el laboratorio, El Dr. Bataller ideó un nuevo arreglo que coloca esferas de metal en contacto con una superficie de confinamiento de alto voltaje, que carga las esferas transfiriendo cientos de millones de electrones a su superficie, y por lo tanto aumenta la repulsión de partículas, y también mantiene las partículas contenidas. Además, cuando las esferas ruedan sobre la superficie, su movimiento produce fricción que reduce rápidamente la energía cinética y promueve un acoplamiento fuerte.
La flexibilidad del concepto de cristal de gravedad permite la exploración de la misma física que gobierna la estratificación de oxígeno-carbono dentro de las frías estrellas enanas blancas. Esto se puede observar mezclando diferentes esferas de masa (cobre y aluminio) en el "cuenco de Alina, "un tazón de cocina de acero inoxidable poco profundo. Una vez que se aplica el voltaje, las bolas de cobre más pesadas "se hunden" en el centro del tazón y se separan de las bolas de aluminio más ligeras. Crédito:Alexander Bataller
La idea clave que permitió el presente descubrimiento fue utilizar la gravedad como fuerza de confinamiento. De este modo, pequeñas esferas cargadas se pueden confinar gravitacionalmente usando una geometría simple ... un cuenco.
Al usar el confinamiento gravitacional, El Dr. Bataller descubrió que la cristalización de Wigner también se puede extender a dimensiones macroscópicas con partículas un millón de veces más masivas que su primo de plasma polvoriento, que ahora se puede utilizar para estudiar otros sistemas cristalinos. Por ejemplo, Los cristales de gravedad pueden simular una característica curiosa de las estrellas enanas blancas llamada sedimentación. Recientemente se descubrió que se pueden formar capas de cristales estratificados dentro de las estrellas enanas blancas que contienen oxígeno y carbono. donde el oxígeno más pesado "se hunde" hasta el núcleo. La disposición de cristales de gravedad reproduce este efecto de capas cuando se aplica alto voltaje a un sistema inicialmente mixto de bolas de cobre y aluminio. Análogo a la sedimentación en las estrellas enanas blancas, las bolas de cobre gravitan hacia el centro del cuenco mientras mantienen una estructura cristalina.
Las propiedades del plasma y el entorno externo de un cristal de gravedad y una estrella enana blanca son tan diferentes como se puede imaginar. Sin embargo, ambos sistemas exhiben un comportamiento similar, que habla de la naturaleza robusta de la cristalización de Wigner.
"La rica diversidad de sistemas en los que hemos observado la cristalización de Wigner es un resultado directo de su naturaleza independiente de la escala, "Dijo el Dr. Bataller." Los cristales de gravedad extienden este fenómeno a las dimensiones humanas mientras necesitan recursos mínimos. Lo que más me emociona de esta nueva plataforma es que prácticamente cualquier individuo curioso puede recrear este fascinante estado de la materia que, hasta ahora, se ha limitado a experimentos de un millón de dólares y dentro del denso interior de las estrellas ".
