Los electrones, las partículas infinitamente pequeñas que se sabe que giran alrededor de los átomos, continúan sorprendiendo a los científicos a pesar de que los científicos los han estudiado durante más de un siglo. Ahora, físicos de la Universidad de Princeton han superado los límites de nuestra comprensión de estas diminutas partículas al visualizar, por primera vez, evidencia directa de lo que se conoce como cristal de Wigner, un extraño tipo de materia que está hecha enteramente de electrones. P>
El hallazgo, publicado en Nature confirma una teoría de hace 90 años de que los electrones pueden ensamblarse en una formación propia similar a un cristal, sin la necesidad de fusionarse alrededor de los átomos. La investigación podría ayudar a descubrir nuevas fases cuánticas de la materia cuando los electrones se comportan colectivamente.
"El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes que se hayan predicho y es objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, evidencia indirecta de su formación", dijo Al Yazdani, de la Universidad Distinguida James S. McDonnell. Profesor de Física en la Universidad de Princeton y autor principal del estudio. "Visualizar este cristal nos permite no sólo observar su formación, confirmando muchas de sus propiedades, sino que también podemos estudiarlo de una manera que no podíamos hacer en el pasado".
En la década de 1930, Eugene Wigner, profesor de física de Princeton y ganador del Premio Nobel de 1963 por su trabajo sobre los principios de simetría cuántica, escribió un artículo en el que proponía la entonces revolucionaria idea de que la interacción entre electrones podría conducir a su disposición espontánea en una configuración cristalina, o red, de electrones muy empaquetados. Teorizó que esto sólo podría ocurrir debido a su repulsión mutua y en condiciones de bajas densidades y temperaturas extremadamente frías.
"Cuando piensas en un cristal, normalmente piensas en la atracción entre átomos como una fuerza estabilizadora, pero este cristal se forma puramente debido a la repulsión entre electrones", dijo Yazdani, codirector inaugural del Instituto Cuántico de Princeton y director del Centro de Materiales Complejos de Princeton.
Sin embargo, durante mucho tiempo el extraño cristal electrónico de Wigner permaneció en el ámbito de la teoría. No fue hasta una serie de experimentos muy posteriores que el concepto de cristal de electrones pasó de ser una conjetura a ser una realidad. El primero de ellos se llevó a cabo en la década de 1970, cuando los científicos de los Laboratorios Bell en Nueva Jersey crearon un cristal de electrones "clásico" rociando electrones sobre la superficie del helio y descubrieron que respondían de manera rígida como un cristal.
Sin embargo, los electrones en estos experimentos estaban muy separados y se comportaban más como partículas individuales que como una estructura cohesiva. Un verdadero cristal de Wigner, en lugar de seguir las leyes familiares de la física en el mundo cotidiano, seguiría las leyes de la física cuántica, en las que los electrones no actuarían como partículas individuales sino más bien como una sola onda.
Esto llevó a toda una serie de experimentos durante las siguientes décadas que propusieron varias formas de crear cristales cuánticos de Wigner. Estos experimentos avanzaron mucho en las décadas de 1980 y 1990, cuando los físicos descubrieron cómo confinar el movimiento de los electrones a capas atómicamente delgadas utilizando semiconductores.
La aplicación de un campo magnético a dichas estructuras en capas también hace que los electrones se muevan en círculo, creando condiciones favorables para la cristalización. Sin embargo, estos experimentos nunca pudieron observar el cristal directamente. Sólo pudieron sugerir su existencia o inferirla indirectamente a partir de cómo fluyen los electrones a través del semiconductor.
"Hay literalmente cientos de artículos científicos que estudian estos efectos y afirman que los resultados deben deberse al cristal de Wigner", dijo Yazdani, "pero uno no puede estar seguro porque ninguno de estos experimentos realmente ve el cristal". P>
Una consideración igualmente importante, señaló Yazdani, es que lo que algunos investigadores creen que es evidencia de un cristal de Wigner podría ser el resultado de imperfecciones u otras estructuras periódicas inherentes a los materiales utilizados en los experimentos.
"Si hay alguna imperfección o alguna forma de subestructura periódica en el material, es posible atrapar electrones y encontrar firmas experimentales que no se deben a la formación de un cristal de Wigner ordenado y autoorganizado en sí, sino a electrones 'atascados'. cerca de una imperfección o atrapado debido a la estructura del material", dijo.
Con estas consideraciones en mente, Yazdani y su equipo de investigación se propusieron ver si podían obtener imágenes directamente del cristal de Wigner utilizando un microscopio de efecto túnel (STM), un dispositivo que se basa en una técnica llamada "túnel cuántico" en lugar de luz para ver el cristal. mundo atómico y subatómico.
También decidieron utilizar grafeno, un material sorprendente que se descubrió en el siglo XXI y se ha utilizado en muchos experimentos relacionados con nuevos fenómenos cuánticos. Sin embargo, para llevar a cabo con éxito el experimento, los investigadores tuvieron que hacer que el grafeno fuera lo más prístino y libre de imperfecciones posible. Esto fue clave para eliminar la posibilidad de que se formaran cristales de electrones debido a imperfecciones del material.
Los resultados fueron impresionantes. "Nuestro grupo ha podido crear muestras limpias sin precedentes que hicieron posible este trabajo", dijo Yazdani. "Con nuestro microscopio podemos confirmar que las muestras no tienen ninguna imperfección atómica en la red atómica del grafeno ni átomos extraños en su superficie en regiones con cientos de miles de átomos".
Para producir grafeno puro, los investigadores exfoliaron dos láminas de carbono de grafeno en una configuración llamada grafeno bicapa apilado por Bernal (BLG). Luego enfriaron la muestra a temperaturas extremadamente bajas (solo una fracción de grado por encima del cero absoluto) y aplicaron un campo magnético perpendicular a la muestra, lo que creó un sistema de gas de electrones bidimensional dentro de las finas capas de grafeno. Con esto, pudieron ajustar la densidad de los electrones entre las dos capas.
"En nuestro experimento, podemos obtener imágenes del sistema a medida que ajustamos el número de electrones por unidad de área", dijo Yen-Chen Tsui, estudiante de posgrado en física y primer autor del artículo. "Con sólo cambiar la densidad, se puede iniciar esta transición de fase y descubrir que los electrones se forman espontáneamente en un cristal ordenado".
Esto sucede, explicó Tsui, porque a bajas densidades, los electrones están muy separados unos de otros y están situados de forma desordenada y desorganizada. Sin embargo, a medida que aumenta la densidad, lo que acerca a los electrones, sus tendencias repulsivas naturales se activan y comienzan a formar una red organizada. Luego, a medida que aumenta aún más la densidad, la fase cristalina se fundirá y se convertirá en un líquido de electrones.
Minhao He, investigador postdoctoral y coprimer autor del artículo, explicó este proceso con mayor detalle. "Existe una repulsión inherente entre los electrones", dijo. "Quieren alejarse unos a otros, pero mientras tanto, los electrones no pueden estar infinitamente separados debido a la densidad finita. El resultado es que forman una estructura reticular regularizada y estrechamente empaquetada, donde cada uno de los electrones localizados ocupa una cierta cantidad del espacio."
Cuando se formó esta transición, los investigadores pudieron visualizarla utilizando el STM. "Nuestro trabajo proporciona las primeras imágenes directas de este cristal. Hemos demostrado que el cristal realmente está ahí y podemos verlo", dijo Tsui.
Sin embargo, visualizar el cristal no fue el final del experimento. Una imagen concreta del cristal les permitió distinguir algunas de las características del cristal. Descubrieron que el cristal tiene una configuración triangular y que puede sintonizarse continuamente con la densidad de las partículas. Esto llevó a la conclusión de que el cristal de Wigner es en realidad bastante estable en un rango muy largo, una conclusión contraria a lo que muchos científicos han supuesto.
"Al poder ajustar su constante reticular continuamente, el experimento demostró que la estructura cristalina es el resultado de la pura repulsión entre los electrones", dijo Yazdani.
Los investigadores también descubrieron varios otros fenómenos interesantes que sin duda justificarán una mayor investigación en el futuro. Descubrieron que la ubicación en la que se localiza cada electrón en la red aparece en las imágenes con cierta cantidad de "desenfoque", como si la ubicación no estuviera definida por un punto sino por una posición de rango en la que los electrones están confinados en la red. . El artículo describe esto como el movimiento de "punto cero" de los electrones, un fenómeno relacionado con el principio de incertidumbre de Heisenberg. El alcance de esta borrosidad refleja la naturaleza cuántica del cristal de Wigner.
"Los electrones, incluso cuando están congelados en un cristal de Wigner, deberían exhibir un fuerte movimiento de punto cero", dijo Yazdani. "Resulta que este movimiento cuántico cubre un tercio de la distancia entre ellos, lo que convierte al cristal de Wigner en un cristal cuántico novedoso".
Yazdani y su equipo también están examinando cómo el cristal de Wigner se funde y pasa a otras fases líquidas exóticas de electrones que interactúan en un campo magnético. Los investigadores esperan obtener imágenes de estas fases tal como lo hicieron con el cristal de Wigner.
Más información: Ali Yazdani, Observación directa de un cristal de Wigner inducido por un campo magnético, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07212-7. www.nature.com/articles/s41586-024-07212-7
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Princeton
