Los seres humanos han estado estudiando la carga eléctrica durante miles de años, y los resultados han dado forma a la civilización moderna. Nuestra vida diaria depende de la iluminación eléctrica, teléfonos inteligentes, carros, y computadoras, de formas que los primeros individuos que notaron una descarga estática o un relámpago nunca podrían haber imaginado.

Ahora, Los físicos de Northeastern han descubierto una nueva forma de manipular la carga eléctrica. Y los cambios en el futuro de nuestra tecnología podrían ser monumentales.

"Cuando se descubren tales fenómenos, la imaginación es el límite, "dice Swastik Kar, profesor asociado de física. "Podría cambiar la forma en que podemos detectar y comunicar señales. Podría cambiar la forma en que podemos sentir las cosas y el almacenamiento de información, y posibilidades en las que quizás ni siquiera hayamos pensado todavía ".

La capacidad de moverse manipular, y almacenar electrones es clave para la gran mayoría de la tecnología moderna, ya sea que estemos tratando de recolectar energía del sol o jugando Plants vs. Zombies en nuestro teléfono. En un artículo publicado en Nanoescala , Los investigadores describieron una forma de hacer que los electrones hagan algo completamente nuevo:distribuirse uniformemente en un estacionario, patrón cristalino.

"Estoy tentado a decir que es casi como una nueva fase de la materia, "Dice Kar." Porque es puramente electrónico ".

El fenómeno apareció mientras los investigadores realizaban experimentos con materiales cristalinos que tienen solo unos pocos átomos de espesor. conocidos como materiales 2-D. Estos materiales están formados por un patrón repetido de átomos, como un tablero de ajedrez sin fin, y son tan delgados que los electrones que contienen solo pueden moverse en dos dimensiones.

Apilar estos materiales ultradelgados puede crear efectos inusuales a medida que las capas interactúan a nivel cuántico.

Kar y sus colegas estaban examinando dos de esos materiales bidimensionales, seleniuro de bismuto y un dicalcogenuro de metal de transición, superpuestas unas sobre otras como hojas de papel. Fue entonces cuando las cosas empezaron a ponerse raras.

Los electrones deben repelerse entre sí:están cargados negativamente, y aléjese de otras cosas cargadas negativamente. Pero eso no es lo que estaban haciendo los electrones en estas capas. Formaban un patrón estacionario.

"En ciertos ángulos, estos materiales parecen formar una forma de compartir sus electrones que termina formando esta tercera red geométricamente periódica, "Dice Kar." Un conjunto perfectamente repetible de charcos electrónicos puros que reside entre las dos capas ".

En primer lugar, Kar asumió que el resultado fue un error. Las estructuras cristalinas de los materiales 2-D son demasiado pequeñas para observarlas directamente, por eso los físicos usan microscopios especiales que disparan rayos de electrones en lugar de luz. A medida que los electrones atraviesan el material, interfieren entre sí y crean un patrón. El patrón específico (y un montón de matemáticas) se puede utilizar para recrear la forma del material 2-D.

Cuando el patrón resultante reveló una tercera capa que no podía provenir de ninguna de las otras dos, Kar pensó que algo había salido mal en la creación del material o en el proceso de medición. Se han observado fenómenos similares antes, pero solo a temperaturas extremadamente bajas. Las observaciones de Kar se realizaron a temperatura ambiente.

"¿Alguna vez has entrado en un prado y has visto un manzano con mangos colgando de él?" Pregunta Kar. "Por supuesto que pensamos que algo andaba mal. Esto no podía estar pasando".

Pero después de repetidas pruebas y experimentos dirigidos por el estudiante de doctorado Zachariah Hennighausen, sus resultados siguieron siendo los mismos. Hubo un nuevo patrón de estilo de celosía de puntos cargados que aparecieron entre los materiales 2-D. Y ese patrón cambió con la orientación de las dos capas intercaladas.

Como Kar y su equipo habían estado trabajando en la investigación experimental, Arun Bansil, un distinguido profesor universitario de física en Northeastern, y el estudiante de doctorado Chistopher Lane estaban examinando las posibilidades teóricas, para entender cómo podría estar sucediendo esto.

Los electrones en un material siempre están rebotando, Bansil explica, ya que son arrastrados por los núcleos de átomos cargados positivamente y repelidos por otros electrones cargados negativamente. Pero en este caso, algo sobre la forma en que se distribuyen estas cargas es la agrupación de electrones en un patrón específico.

"Producen estas regiones donde hay, Si te gusta, zanjas de algún tipo en el paisaje potencial, que son suficientes para obligar a estos electrones a crear estos charcos de carga, "Dice Bansil." La única razón por la que los electrones se formarán en charcos es porque hay un agujero potencial allí ".

Estas zanjas por así decirlo, son creados por una combinación de factores físicos y mecánicos cuánticos, Dice Bansil.

Cuando dos patrones repetidos o cuadrículas están desplazados, se combinan para crear un nuevo patrón (puede replicarlo en casa superponiendo los dientes de dos peines planos). Cada material 2-D tiene una estructura repetida, y los investigadores demostraron que el patrón creado cuando esos materiales se apilan determina dónde terminarán los electrones.

"Ahí es donde se vuelve mecánicamente cuántico favorable para que residan los charcos, "Dice Kar." Casi está guiando esos charcos de electrones para que permanezcan allí y en ningún otro lugar. Es fascinante."

Si bien la comprensión de este fenómeno aún está en su infancia, tiene el potencial de impactar el futuro de la electrónica, sistemas de detección y detección, y procesamiento de información.

"La emoción en este punto es poder demostrar potencialmente algo que la gente nunca pensó que pudiera existir a temperatura ambiente antes, "Kar dice". Y ahora, el cielo es el límite en términos de cómo podemos aprovecharlo ".