Los físicos han estado tratando de determinar los estados básicos de los sistemas de electrones 2D a densidades y temperaturas extremadamente bajas durante muchas décadas. Las primeras predicciones teóricas para estos estados fundamentales fueron presentadas por los físicos Felix Bloch en 1929 y Eugene Wigner en 1934, quienes sugirieron que las interacciones entre los electrones podrían conducir a estados fundamentales que nunca antes se habían observado.

Investigadores de la Universidad de Princeton han estado realizando estudios en esta área de la física desde hace varios años. Su trabajo más reciente, presentado en Physical Review Letters , reunió evidencia de un nuevo estado que había sido predicho por Wigner, conocido como un sólido desordenado de Wigner (WS).

"La fase predicha por Wigner, una matriz ordenada de electrones (el llamado cristal de Wigner o WS), ha fascinado a los científicos durante décadas", dijo a Phys.org Mansour Shayegan, investigador principal del estudio. "Su realización experimental es extremadamente desafiante, ya que requiere muestras con densidades muy bajas y con parámetros apropiados (gran masa efectiva y pequeña constante dieléctrica) para mejorar el papel de la interacción".

Para producir con éxito un WS o WS cuántico en un entorno de laboratorio, los investigadores necesitan muestras extremadamente puras y de alta calidad. Esto significa que las sustancias que usan en sus experimentos deben tener una cantidad mínima de impurezas, ya que estas impurezas pueden atraer electrones y hacer que se reorganicen al azar.

Como satisfacer los requisitos para producir estos estados es muy desafiante, los estudios previos que investigan los sistemas cuánticos WS, en los que las interacciones electrón-electrón dominan sobre la llamada energía de Fermi, han sido increíblemente escasos. El primer WS cuántico fue observado en 1999 por Jongsoo Yoon en la Universidad de Princeton y algunos de los investigadores involucrados en el estudio reciente, utilizando una heteroestructura 2D de GaAs/AlGaAs.

En su nuevo estudio, el equipo utilizó una muestra 2D AlAs (arseniuro de aluminio) limpia y altamente pura con una masa efectiva anisotrópica (es decir, diferente cuando se mide en diferentes direcciones) y el Mar de Fermi. En particular, su muestra cumplió muy bien los requisitos para la realización de un WS 2D anisotrópico.

"Nuestra muestra es una plataforma casi ideal para observar un WS cuántico con un campo magnético cero", dijo Shayegan. "Ahora, resulta que los electrones 2D en AlAs brindan una ventaja adicional, a saber, una dispersión de banda de energía anisotrópica que conduce a una masa efectiva anisotrópica. Lo que descubrimos es que esta anisotropía puede manifestarse en las propiedades del WS, como su resistencia. y quitar el umbral a lo largo de diferentes direcciones en el plano.

El material utilizado por Shayegan y sus colegas en sus experimentos consiste en un pozo cuántico de AlAs de alta calidad, con muy pocas impurezas y, por lo tanto, bajo desorden. En este pozo cuántico, los electrones están confinados en 2 dimensiones.

"Podemos usar el voltaje de la puerta para ajustar la densidad de los electrones en nuestra muestra", dijo a Phys.org Md Shafayat Hossain, autor principal del artículo. "Utilizamos una combinación de transporte eléctrico (es decir, mediciones de resistividad) y espectroscopia de polarización de CC (es decir, medición de la resistencia diferencial en función de la polarización de CC fuente-drenaje) para estudiar el sólido anisótropo 2D desordenado de Wigner".

Las mediciones de la resistividad y la resistencia diferencial de la muestra del equipo mostraron que, de hecho, habían observado un nuevo WS cuántico en un campo magnético cero, utilizando un sistema de material anisotrópico. En última instancia, esto les permitió descubrir los efectos de la anisotropía en el escurridizo pero fascinante estado WS.

"El sólido de Wigner observado muestra diferentes capacidades de deslizamiento efectivo en diferentes direcciones", dijo Hossain. "Esto se manifiesta a través de diferentes voltajes de umbral de desconexión a lo largo de diferentes direcciones observadas en nuestros experimentos".

Es probable que el estado WS anisotrópico observado por este equipo de investigadores sea un estado cuántico completamente nuevo. Esto significa que hasta el momento se sabe muy poco sobre sus propiedades y características.

En el futuro, estos hallazgos recientes podrían inspirar nuevos estudios teóricos y experimentales destinados a comprender mejor este estado cuántico recientemente identificado con una anisotropía intrínseca (es decir, con diferentes valores cuando se mide en diferentes direcciones). Estos estudios podrían, por ejemplo, intentar determinar la forma reticular característica del estado.

"Según nuestros hallazgos experimentales, el diferente comportamiento electrónico a lo largo de diferentes direcciones de WS anisotrópicos también puede ser útil en dispositivos electrónicos", dijo Hossain. "Tales dispositivos podrían responder de manera diferente dependiendo de la dirección del voltaje aplicado".

En última instancia, el WS anisotrópico descubierto por este equipo de investigadores podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos cuánticos anisotrópicos. En sus próximos trabajos, Shayegan, Hossain y sus colegas investigarán las resonancias de microondas del estado que descubrieron, ya que podrían proporcionar más detalles sobre el estado y su anisotropía.

"Por ejemplo, preguntaremos:¿el WS muestra resonancias, similares a lo que se ha visto en el caso de los WS inducidos por campos magnéticos, en rellenos muy pequeños (campos magnéticos altos)?" agregó Shayegan. "Observar las resonancias sería muy útil, ya que proporcionarían una fuerte evidencia de la fase WS. Además, observar las resonancias cuyas frecuencias dependen de la orientación del campo eléctrico aplicado con respecto a la orientación del cristal WS sería fascinante y arrojaría luz. sobre el papel de la anisotropía". + Explora más

Los científicos desarrollan una colosal anisotropía eléctrica 3D del monocristal de MoAlB

© 2022 Red Ciencia X