El estudio marca un paso importante hacia la creación de un sistema para estudiar las transiciones de fase cuántica – Harvard Gazette
En 1934, el físico Eugene Wigner hizo una predicción teórica basada en la mecánica cuántica que durante décadas había pasado desapercibida.
La teoría sugirió cómo un metal que normalmente conduce electricidad podría transformarse en un aislante no conductor cuando se reduce la densidad de electrones. Wigner teorizó que cuando los electrones en los metales se llevan a temperaturas ultra frías, esos electrones se congelarían a su paso y formarían una estructura rígida no conductora, un cristal, en lugar de girar a miles de kilómetros por segundo y crear una corriente eléctrica. Desde que lo descubrió, la estructura se acuñó como un cristal Wigner y se observó por primera vez en 1979.
Sin embargo, lo que siguió siendo obstinadamente esquivo para los físicos fue la fusión del estado cristalino en un líquido en respuesta a las fluctuaciones cuánticas. Al menos lo 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 naturaleza y marca un paso importante hacia la creación de un sistema para estudiar este tipo de transiciones entre estados de la materia a nivel cuántico, un objetivo largamente buscado en este campo.
«Esto está justo en la frontera de la materia de pasar de material parcialmente cuántico a material parcialmente clásico, y tiene muchos fenómenos y propiedades inusuales e interesantes», dijo Demler, autor principal del artículo. “Se han visto los cristales en sí, pero este tipo de transición temprana, cuando la mecánica cuántica y las interacciones clásicas compiten entre sí, no se ha visto. Tardaron 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 química, física y termodinámica, las transiciones de fase ocurren cuando una sustancia cambia de un estado sólido, líquido o gaseoso 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 de Wigner, la transición cristal-líquido surge de una competencia entre los aspectos clásico y cuántico de los electrones: el primero domina en la fase sólida, en la que los electrones son «como partículas», y el último domina en la fase sólida. líquido, en el que los electrones son «como ondas». Para un solo electrón, la mecánica cuántica nos dice que la naturaleza de la partícula y la onda son complementarias.
«Es sorprendente que en un sistema de muchos electrones que interactúan, estos diferentes comportamientos se manifiestan en diferentes fases de la materia», dijo Park. «Por estas razones, la naturaleza de la transición de electrones sólido-líquido ha atraído un enorme interés teórico y experimental».
Los científicos de Harvard informan del uso de una nueva técnica experimental desarrollada por You Zhou, Jiho Sung y Elise Brutschea, investigadores de Grupo de Investigación del Parque y los 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, lo que hace que su realización experimental sea un gran desafío. Al construir dos capas de electrones que interactúan a partir de dos semiconductores atómicamente delgados, los investigadores crearon una situación en la que la cristalización se estabilizó a densidades más altas.
Para ver la transición, los investigadores utilizaron un método llamado espectroscopia de excitones. Utiliza luz para excitar un electrón en el sistema y unirlo al agujero del electrón, o agujero, que deja atrás, formando un par electrón-agujero similar al hidrógeno conocido como excitón. Este par interactúa con los otros electrones del material y modifica los otros electrones para que se puedan ver.
Los descubrimientos del artículo fueron en gran parte accidentales y fueron una sorpresa, según los investigadores. El grupo de Park inicialmente fue en una dirección diferente y quedó intrigado cuando notó que los electrones en su material exhibían un comportamiento aislante. Consultaron a teóricos en el laboratorio de Demler y pronto se dieron cuenta de lo que tenían.
Los investigadores planean utilizar su nuevo método para investigar más a fondo otras transiciones de fase cuántica.
«Ahora tenemos una plataforma experimental donde todos estos [different quantum phase transition] ahora se pueden probar las predicciones ”, dijo Demler.
