Ilustración artística del patrón, conocido como moiré por la tela francesa, que se desarrolla en el material retorcido en capas creado por el equipo. Este patrón es clave para producir los comportamientos inusuales de electrones cuánticos descubiertos. Crédito:J.F. Podevin para el Departamento de Física de la Universidad de Princeton.
Un experimento reciente detallado en la revista Nature está desafiando nuestra imagen de cómo se comportan los electrones en los materiales cuánticos. Usando capas apiladas de un material llamado ditellurida de tungsteno, los investigadores han observado electrones en dos dimensiones comportándose como si estuvieran en una sola dimensión, y en el proceso han creado lo que los investigadores afirman es un nuevo estado electrónico de la materia.
"Este es realmente un horizonte completamente nuevo", dijo Sanfeng Wu, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton y autor principal del artículo. "Pudimos crear una nueva fase electrónica con este experimento, básicamente, un nuevo tipo de estado metálico".
Nuestra comprensión actual del comportamiento de los electrones que interactúan en los metales se puede describir mediante una teoría que funciona bien con sistemas de dos y tres dimensiones, pero se desmorona al describir la interacción de los electrones en una sola dimensión.
"Esta teoría describe la mayoría de los metales que conocemos", dijo Wu. "Establece que los electrones en el metal, aunque interactúan fuertemente, deben comportarse como electrones libres, excepto que pueden tener valores diferentes en algunas cantidades características, como la masa y el momento magnético".
Sin embargo, en los sistemas unidimensionales, esta "teoría del líquido de Fermi" da paso a otra teoría, "la teoría del líquido de Luttinger", para describir la interacción entre los electrones.
"La teoría del líquido de Luttinger proporciona un punto de partida básico para comprender los electrones que interactúan en una dimensión", dijo Wu. "Los electrones en una red unidimensional están tan fuertemente correlacionados entre sí que, en cierto sentido, comienzan a no actuar como electrones libres".
La teoría del líquido de Fermi fue propuesta por primera vez por el ganador del Premio Nobel L.D. Landó. La teoría de Luttinger pasó por un largo proceso de refinamiento antes de ser ampliamente aceptada por los físicos. Un modelo teórico fue propuesto por primera vez por el ganador del Premio Nobel japonés Shinichiro Tomonaga en la década de 1950, dijo Wu, y J.M. Luttinger lo formuló de forma independiente más tarde en 1963.
Sin embargo, Luttinger proporcionó una solución inadecuada y, por lo tanto, el matemático y físico de Princeton Elliott Lieb, hoy profesor emérito de física Eugene Higgins, asumió el desafío en 1965 y finalmente proporcionó una solución correcta. Otro físico y premio Nobel, F. Duncan Haldane, profesor de física de la Universidad Sherman Fairchild de Princeton, utilizó el modelo en 1981 para comprender los efectos de interacción de los metales unidimensionales. Haldane acuñó el término "líquidos de Luttinger" y sentó las bases de la teoría moderna de los líquidos de Luttinger como una descripción general de los metales unidimensionales.
Durante mucho tiempo, estas dos teorías, la teoría del líquido de Fermi y la teoría del líquido de Luttinger, han sido fundamentales para nuestra comprensión del comportamiento de los electrones en la física de la materia condensada, según su dimensionalidad.
Pero ha habido indicios de que las interacciones de los electrones son mucho más complejas que esta simple clasificación. Philip Anderson, otro ganador del Premio Nobel y físico de Princeton, propuso en la década de 1990 que podría haber ciertos casos "exóticos" en los que el comportamiento de los electrones en sistemas bidimensionales, en raras ocasiones, también podría seguir las predicciones de la teoría líquida de Luttinger. En otras palabras, aunque los electrones en los sistemas bidimensionales normalmente se explican mediante la teoría del líquido de Fermi, Anderson se preguntó si esos electrones podrían comportarse de manera contraria a la intuición como un líquido de Luttinger, como si estuvieran en un sistema unidimensional.
Esto era en gran medida hipotético. No hubo experimentos que pudieran conectarse con estos casos exóticos, dijo Wu.
Hasta ahora.
Los investigadores crearon un dispositivo hecho de tungsteno (W) y telururo (Te) en dos capas cristalinas apiladas una encima de la otra y retorcidas entre sí solo unos pocos grados. El ditellururo de tungsteno bicapa torcido resultante exhibió propiedades extrañas e inesperadas. Crédito:Pengjie Wang
A través de la experimentación, Wu y su equipo descubrieron que los electrones en una estructura material bidimensional especialmente creada, cuando se enfrían a temperaturas muy bajas, de repente comenzaron a comportarse como lo predijo la teoría líquida de Luttinger. En otras palabras, actuaban como electrones correlacionados en un estado unidimensional.
Los investigadores llevaron a cabo su experimento utilizando un material llamado ditellurida de tungsteno (WTe2 ), un semimetal en capas. Un semimetal es un compuesto que tiene propiedades intermedias que lo sitúan entre los metales y los aislantes. Los investigadores de Princeton Leslie Schoop, profesor asistente de química, y Robert Cava, profesor de química Russell Wellman Moore, y sus equipos crearon cristales de ditellurida de tungsteno de la más alta calidad. Luego, el equipo de Wu creó capas atómicas individuales de este material y apiló dos de ellas verticalmente para el estudio.
"Apilamos monocapas de ditellurida de tungsteno una encima de la otra y usamos un giro de ángulo de 5 o 6 grados", dijo Pengjie Wang, coautora del artículo y asociada de investigación postdoctoral. Esto creó una gran celosía rectangular llamada patrón muaré, que se asemeja a un diseño textil francés común.
El equipo originalmente tenía la intención de observar cómo el ángulo de giro afectaría a los otros tipos de fenómenos cuánticos en el ditellurida de tungsteno. Pero lo que encontraron los asombró.
"Al principio, los resultados nos confundieron", dijo Wang. "Pero resultó ser correcto".
Los investigadores observaron que los electrones, en lugar de actuar libremente, comenzaron a congregarse fuertemente en una matriz lineal indicativa de electrones en un sistema unidimensional.
"Lo que tienes aquí es realmente un estado metálico bidimensional que no está descrito por la teoría líquida estándar de Fermi", dijo Wu. "Por primera vez, encontramos una fase electrónica completamente nueva de la materia en dos dimensiones descrita por la teoría líquida de Luttinger".
Guo Yu, coautor del artículo y estudiante graduado en ingeniería eléctrica e informática, describió las propiedades del material como notablemente intercambiables entre uniformes en todas las direcciones (isotrópico) o con propiedades físicas que varían fuertemente cuando se miden en diferentes direcciones ( anisotrópico).
"Lo que es único para nuestro sistema de ditellurida de tungsteno de bicapa retorcida es que, a diferencia de la mayoría de los otros materiales monocapa y sus superredes muaré que son isotrópicas, el patrón muaré en nuestra muestra es altamente anisotrópico, crucial para albergar la física unidimensional", dijo Yu dijo.
Una nueva fase metálica podría parecer que tendría numerosas aplicaciones prácticas, pero Wu advirtió que se trata de una investigación preliminar. Antes de que tales aplicaciones puedan realizarse, dijo, es necesario realizar trabajo adicional.
No obstante, Wu es optimista sobre el futuro. "Esto podría ayudar a abrir una ventana completamente nueva para observar nuevas fases cuánticas de la materia", dijo. "En los próximos años, veremos muchos hallazgos nuevos que surgen de esta investigación". Comportamiento de electrones 'atrapados' en un mundo unidimensional observado en el laboratorio
