Los físicos finalmente capturan el misterioso cristal de Wigner después de 90 años: ScienceAlert

Los electrones son pequeñas cosas maravillosas. A menudo orbitan alrededor de núcleos atómicos, pero no es necesario: el Universo está lleno de electrones sueltos dando vueltas.

Hace noventa años, el físico teórico Eugene Wigner propuso que Tampoco tenían que preocuparse: los electrones libres pueden unirse en un tipo peculiar de materia que no tiene átomos en absoluto, sólo electrones atrapados por su propia repulsión en una red cristalina organizada.

Esto se conoce como cristal de Wigner, y los físicos finalmente han obtenido evidencia observacional directa de que puede existir.

«El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes jamás predichas y es objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, pruebas indirectas de su formación», afirmó. dice el físico Al Yazdani de la Universidad de Princeton.

«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 era posible en el pasado».

Un cristal se refiere a la forma en que se pueden organizar los átomos en la materia sólida. En los materiales cristalinos típicos, los átomos están unidos entre sí de manera que forman un patrón que se repite en el espacio.

El innovador artículo de Wigner de 1934 proponía que los electrones podrían formar disposiciones similares, ayudados (no obstaculizados) por la repulsión mutua generada por la carga negativa que transportan todos los electrones.

Teorizó que a temperaturas extremadamente bajas y densidades bajas, la interacción repulsiva entre electrones debería hacer que su energía potencial domine su necesidad de acercarse, provocando que caigan en estructuras reticulares similares a cristales.

Estos cristales no se comportarían según la física clásica sino más bien según la mecánica cuántica, y los electrones unidos no se comportarían como partículas discretas sino como una onda individual. Una variedad de experimentos que involucran sistemas bidimensionales diseñados para detectar los resultados de este comportamiento han proporcionado evidencia indirecta de los cristales de Wigner, pero la evidencia directa ha sido un poco más difícil de encontrar.

«Hay literalmente cientos de artículos científicos que estudian estos efectos y afirman que los resultados deben deberse al cristal de Wigner». Yazdani dice«Pero no podemos estar seguros, porque ninguno de estos experimentos realmente ve el cristal».

Teniendo en cuenta los defectos de estos experimentos, un equipo dirigido por los físicos de la Universidad de Princeton Yen-Chen Tsui, Minhao He y Yuwen Hu ideó un experimento que esperaban resolvería problemas anteriores y revelaría el cristal.

Utilizaron campos magnéticos para inducir un cristal de electrones de Wigner en el grafeno, pero no un grafeno cualquiera. El material tenía que ser lo más puro posible, para eliminar cualquier efecto que pudieran generar las imperfecciones atómicas.

Se prepararon dos láminas de grafeno y se dispusieron en una configuración específica antes de enfriarlas hasta apenas una fracción por encima del cero absoluto. Luego se aplicó un campo magnético para ajustar la densidad del gas de electrones intercalado entre las capas.

El cristal de Wigner tiene un punto ideal de densidad electrónica. Si la densidad es demasiado baja, los electrones se alejarán y simplemente se alejarán. Si la densidad es demasiado alta, los electrones se agruparán formando un líquido electrónico.

En el punto Ricitos de Oro, los electrones intentarán repelerse entre sí… pero su escape será detenido por otros electrones. Luego se organizarán en cuadrícula manteniendo la mayor equidistancia posible entre ellos.

Para medir esta fase cristalina, los investigadores utilizaron microscopía de efecto túnel de barrido de alta resolución (STM) para medirlo. STM utiliza túneles cuánticos para sondear materiales a escala atómica, donde la microscopía óptica no puede llegar.

«En nuestro experimento, podemos visualizar el sistema a medida que ajustamos el número de electrones por unidad de área. Con solo cambiar la densidad, se puede iniciar esta transición de fase y descubrir que los electrones se forman espontáneamente en un cristal ordenado». Tsui explica.

«Nuestro trabajo proporciona las primeras imágenes directas de este cristal. Hemos demostrado que el cristal está realmente ahí y podemos verlo».

Sus mediciones también confirmaron modelos que describen la red como triangular cuando se limita al espacio 2D, aunque encontraron que puede permanecer estable cuando la densidad se ajusta en un grado bastante alto, contradiciendo teorías anteriores de que el rango de densidad debe ser bastante pequeño. También descubrieron que los electrones no ocupan un solo punto en la red, sino una confusa variedad de posiciones descritas como movimiento de punto cero.

«Los electrones, incluso cuando están congelados en un cristal de Wigner, deberían exhibir un fuerte movimiento de punto cero». dice Yazdani. «Resulta que este movimiento cuántico cubre un tercio de la distancia entre ellos, lo que convierte al cristal de Wigner en un nuevo cristal cuántico».

Los hallazgos fueron publicados en Naturaleza.