Como niños inquietos que posan para un retrato de familia, los electrones no se mantendrán quietos el tiempo suficiente para permanecer en cualquier tipo de disposición fija.

Los investigadores de Cornell apilaron semiconductores bidimensionales para crear una estructura de superrejilla muaré que atrapa los electrones en un patrón repetitivo. finalmente formando el cristal de Wigner de larga hipótesis.

Ahora, Una colaboración dirigida por Cornell ha desarrollado una forma de apilar semiconductores bidimensionales y atrapar electrones en un patrón repetitivo que forma un cristal específico y de larga hipótesis.

El papel del equipo, "Estados aislantes correlacionados en rellenos fraccionales de superredes de muaré, "publicado el 11 de noviembre en Naturaleza . El autor principal del artículo es el investigador postdoctoral Yang Xu.

El proyecto surgió del laboratorio compartido de Kin Fai Mak, profesor asociado de física en la Facultad de Artes y Ciencias, y Jie Shan, profesor de física aplicada e ingeniería en la Facultad de Ingeniería, los coautores principales del artículo. Ambos investigadores son miembros del Instituto Kavli de Cornell para la ciencia a nanoescala; llegaron a Cornell a través de la iniciativa de ingeniería de microsistemas y ciencia a nanoescala (NEXT Nano) del rector.

Un cristal de electrones fue predicho por primera vez en 1934 por el físico teórico Eugene Wigner. Propuso que cuando la repulsión que resulta de los electrones cargados negativamente, llamadas repulsiones de Coulomb, domina la energía cinética de los electrones, se formaría un cristal. Los científicos han probado varios métodos para suprimir esa energía cinética, como poner electrones bajo un campo magnético extremadamente grande, aproximadamente un millón de veces mayor que el del campo magnético de la Tierra. La cristalización completa sigue siendo esquiva, pero el equipo de Cornell descubrió un nuevo método para lograrlo.

"Los electrones son mecánicos cuánticos. Incluso si no les haces nada, están moviéndose espontáneamente todo el tiempo, "Dijo Mak." Un cristal de electrones en realidad tendría la tendencia a fundirse porque es muy difícil mantener los electrones fijos en un patrón periódico ".

Entonces, la solución de los investigadores fue construir una trampa real apilando dos monocapas de semiconductores, disulfuro de tungsteno (WS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2), cultivado por socios de la Universidad de Columbia. Cada monocapa tiene una constante de celosía ligeramente diferente. Cuando se emparejan, crean una estructura de superrejilla muaré, que esencialmente parece una cuadrícula hexagonal. Luego, los investigadores colocaron electrones en sitios específicos del patrón. Como encontraron en un proyecto anterior, la barrera de energía entre los sitios bloquea los electrones en su lugar.

"Podemos controlar la ocupación media de los electrones en un sitio de muaré específico, "Dijo Mak.

Dado el intrincado patrón de una superrejilla de muaré, combinado con la naturaleza nerviosa de los electrones y la necesidad de ponerlos en una disposición muy específica, los investigadores se dirigieron a Veit Elser, profesor de física y coautor del artículo, quien calculó la proporción de ocupación por la cual las diferentes disposiciones de electrones se autocristalizarán.

Sin embargo, el desafío de los cristales de Wigner no es solo crearlos, pero observándolos, también.

"Necesitas alcanzar las condiciones adecuadas para crear un cristal de electrones, y al mismo tiempo, también son frágiles, "Dijo Mak." Necesitas una buena manera de sondearlos. Realmente no desea perturbarlos significativamente mientras los investiga ".

El equipo ideó una nueva técnica de detección óptica en la que se coloca un sensor óptico cerca de la muestra, y toda la estructura está intercalada entre capas aislantes de nitruro de boro hexagonal, creado por colaboradores del Instituto Nacional de Ciencia de Materiales de Japón. Debido a que el sensor está separado de la muestra por aproximadamente dos nanómetros, no perturba el sistema.

La nueva técnica permitió al equipo observar numerosos cristales de electrones con diferentes simetrías de cristal, desde cristales Wigner de celosía triangular hasta cristales que se auto-alinean en rayas y dímeros. Al hacerlo, el equipo demostró cómo los ingredientes muy simples pueden formar patrones complejos, siempre y cuando los ingredientes permanezcan quietos el tiempo suficiente.