En 1934, El físico Eugene Wigner hizo una predicción teórica basada en la mecánica cuántica que durante 87 años pasó desapercibida.

La teoría sugirió cómo un metal que normalmente conduce electricidad podría convertirse en un aislante no conductor cuando se reduce la densidad de electrones. Wigner teorizó que cuando los electrones de los metales se llevan a temperaturas ultrafrías, estos electrones se congelarían en sus pistas y formarían un rígido, estructura no conductora de electricidad, un cristal, en lugar de girar a miles de kilómetros por segundo y crear una corriente eléctrica. Desde que lo descubrió, la estructura fue acuñada como Wigner Crystal y fue observada por primera vez en 1979.

Lo que sigue siendo obstinadamente esquivo para los físicos, sin embargo, ha sido la fusión del estado cristalino en un líquido en respuesta a las fluctuaciones cuánticas. Por lo menos, fue:Ahora, casi 90 años después, un equipo de físicos codirigido por Hongkun Park y Eugene Demler en la Facultad de Artes y Ciencias finalmente ha documentado experimentalmente esta transición.

El trabajo se describe en un nuevo estudio publicado en la revista Naturaleza y marca un gran paso hacia la creación de un sistema para estudiar este tipo de transiciones entre estados de la materia a nivel cuántico, un gol muy buscado en el campo.

"Esto está justo en el límite de la materia de cambiar de material parcialmente cuántico a material parcialmente clásico y tiene muchos fenómenos y propiedades inusuales e interesantes, "dijo Eugene Demler, un autor principal del artículo. "Se han visto los cristales mismos, pero esto, algo así como, No se ha visto una transición prístina, cuando la mecánica cuántica y las interacciones clásicas compiten entre sí. Han sido necesarios 86 años ".

Dirigido por Park y Demler, el equipo de investigación se centró en observar los cristales de Wigner y sus transiciones de fase en el estudio. En Quimica, física, y termodinámica, las transiciones de fase ocurren cuando una sustancia cambia de un sólido, líquido, o gas a un estado diferente. Cuando las fluctuaciones cuánticas cercanas a la temperatura del cero absoluto impulsan estas transiciones, se denominan transiciones de fase cuántica. Se cree que estas transiciones cuánticas juegan un papel importante en muchos sistemas cuánticos.

En el caso de un cristal Wigner, la transición de cristal a líquido se produce por una competencia entre los aspectos clásico y cuántico de los electrones; el primero domina en la fase sólida, en el que los electrones son "como partículas, "y este último dominando en el líquido, en el que los electrones son "como ondas". Por un solo electrón, La mecánica cuántica nos dice que la naturaleza de las partículas y las ondas son complementarias.

"Llama la atención que, en un sistema de muchos electrones que interactúan, Estos diferentes comportamientos se manifiestan en distintas fases de la materia, "dijo Park." Por estas razones, la naturaleza de la transición del electrón sólido-líquido ha suscitado un enorme interés teórico y experimental ".

Los científicos de Harvard informan que utilizaron una técnica experimental novedosa desarrollada por You Zhou, Jiho Sung, y Elise Brutschea, investigadores del Park Research Group y autores principales del artículo, para observar esta transición de sólido a líquido en bicapas semiconductoras atómicamente delgadas. En general, La cristalización de Wigner requiere una densidad de electrones muy baja, haciendo de su realización experimental un gran desafío experimental. Al construir dos capas de electrones que interactúan a partir de dos semiconductores atómicamente delgados, Los experimentalistas crearon una situación en la que la cristalización se estabiliza a densidades más altas.

Para ver la transición, los investigadores utilizaron un método llamado espectroscopia de excitones. Usan luz para excitar un electrón en el sistema y unirlo a la vacante de electrones, o agujero, deja atrás, formando un par electrón-hueco similar al hidrógeno conocido como excitón. Este par interactúa con los otros electrones del material y modifica sus propiedades para que puedan verse ópticamente.

Los hallazgos del artículo fueron en gran parte accidentales y fueron una sorpresa. según los investigadores. El grupo de Park inicialmente partió en una dirección diferente y se sorprendieron cuando notaron que los electrones en su material mostraban un comportamiento aislante. Consultaron con teóricos del laboratorio de Demler y pronto se dieron cuenta de lo que tenían.

Los investigadores planean utilizar su nuevo método para continuar investigando otras transiciones de fase cuántica.

"Ahora tenemos una plataforma experimental donde todas estas predicciones [diferentes transiciones de fase cuántica] pueden probarse ahora, "Dijo Demler.