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(noticias nanowerk) Los electrones, esas partículas infinitesimales que se sabe orbitan alrededor de los átomos, todavía sorprenden a los científicos, a pesar de que los han estado estudiando durante más de un siglo. Ahora, los físicos de la Universidad de Princeton han ampliado los límites de nuestra comprensión de estas pequeñas partículas al revelar por primera vez evidencia directa del llamado cristal de Wigner, un extraño tipo de materia hecha enteramente de electrones.
El hallazgo, publicado en la revista Naturaleza (“Observación directa de un cristal de Wigner inducido por un campo magnético”) confirma una teoría de hace 90 años de que los electrones pueden ensamblarse en su propia formación cristalina sin tener que fusionarse alrededor de los átomos. La investigación podría conducir al descubrimiento de nuevas fases cuánticas de la materia en las que los electrones se comportan colectivamente.
«El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes predichas y es objeto de numerosos estudios que han encontrado, en el mejor de los casos, evidencia indirecta de su formación», dijo Al Yazdani, profesor universitario distinguido de física James S. McDonnell en la Universidad de Princeton. y autor principal del estudio. «Al visualizar este cristal, no sólo podemos observar su formación y confirmar muchas de sus propiedades, sino que también podemos estudiarlo de formas que no eran posibles en el pasado».
![Imagen de un cristal Wigner](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/id65002_1.jpg)
En la década de 1930, Eugene Wigner, profesor de física en la Universidad de Princeton y ganador del Premio Nobel en 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 similar a un cristal o una red de electrones muy empaquetados. Planteó la hipótesis de que esto sólo podría suceder debido a su repulsión mutua y en condiciones de baja densidad 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 únicamente debido a la repulsión entre electrones», dijo Yazdani, primer codirector del Instituto Cuántico de Princeton y director de el Centro de Materiales Complejos de Princeton.
Sin embargo, durante mucho tiempo el extraño cristal electrónico de Wigner permaneció en el ámbito de la teoría. Fue sólo una serie de experimentos muy posteriores los que transformaron el concepto de un cristal de electrones de una conjetura a 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 hicieron un cristal de electrones «clásico» rociando electrones sobre la superficie del helio y descubrieron que reaccionaban rígidamente como un cristal.
Sin embargo, los electrones en estos experimentos estaban muy separados y se comportaban más como partículas individuales que como una estructura coherente. Un verdadero cristal de Wigner, en lugar de seguir las leyes de la física conocidas en el mundo cotidiano, seguiría las leyes de la física cuántica, en las que los electrones no se comportarían como partículas individuales, sino como una sola onda.
Esto llevó a toda una serie de experimentos durante las siguientes décadas que sugirieron varias formas de producir cristales cuánticos de Wigner. Estos experimentos avanzaron significativamente en las décadas de 1980 y 1990, cuando los físicos descubrieron cómo limitar el movimiento de los electrones a capas atómicamente delgadas utilizando semiconductores. Al aplicar un campo magnético a tales estructuras de capas, los electrones también se mueven en círculos, creando condiciones favorables para la cristalización. Sin embargo, estos experimentos nunca lograron observar directamente el cristal. Sólo podían insinuar 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 no se puede estar seguro porque ninguno de estos experimentos realmente ve el cristal».
Una consideración igualmente importante, dice Yazdani, es que lo que algunos investigadores consideran 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 imperfecciones o algún tipo de subestructura periódica en el material, es posible capturar electrones y encontrar firmas experimentales que no se deben a la formación de un cristal de Wigner ordenado y autoorganizado, sino a electrones atrapados». Por la proximidad de una imperfección o por 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 producir el cristal. los atómicos y las estructuras atómicas para considerar el mundo subatómico. También decidieron utilizar grafeno, un material sorprendente descubierto en el siglo XXI que se ha utilizado en muchos experimentos con nuevos fenómenos cuánticos. Sin embargo, para llevar a cabo el experimento con éxito, 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 defectos del material.
Los resultados fueron impresionantes. «Nuestro grupo pudo producir muestras limpias sin precedentes que hicieron posible este trabajo», dijo Yazdani. «Usando nuestro microscopio, podemos confirmar que las muestras no tienen defectos atómicos en la red atómica del grafeno ni átomos extraños en su superficie en áreas que contienen cientos de miles de átomos».
Para crear grafeno puro, los investigadores exfoliaron dos capas 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, creando un sistema de gas de electrones bidimensional dentro de las delgadas capas de grafeno. Esto les permitiría ajustar la densidad de electrones entre las dos capas.
«En nuestro experimento, podemos obtener imágenes del sistema mientras ajustamos el número de electrones por unidad de área», dijo Yen-Chen Tsui, estudiante de doctorado en física y primer autor del artículo. «Con solo 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 y dispuestos de manera desordenada y desorganizada. Sin embargo, a medida que aumenta la densidad, lo que hace que los electrones se acerquen, 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 funde en un líquido de electrones.
Minhao He, investigador postdoctoral y coprimer autor del artículo, explicó este proceso con más detalle. «Existe una repulsión inherente entre los electrones», dijo. “Quieren alejarse unos de otros, pero mientras tanto los electrones no pueden estar infinitamente separados debido a la densidad finita. El resultado es que forman una estructura reticular regulada y muy compacta, en la que cada uno de los electrones localizados ocupa un espacio específico”.
A medida que se formó esta transición, los investigadores pudieron visualizarla utilizando 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, la simple visualización del cristal no fue el final del experimento. Utilizando una imagen concreta del cristal, pudieron ver algunas de sus propiedades. Descubrieron que el cristal tiene una configuración triangular y que se puede ajustar continuamente a 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 que contradice las suposiciones de muchos científicos.
«Al poder ajustar continuamente la constante de la red, el experimento demostró que la estructura cristalina es el resultado de pura repulsión entre electrones», dijo Yazdani.
Los investigadores también descubrieron otros fenómenos interesantes que sin duda requerirán más estudios en el futuro. Descubrieron que la ubicación donde se encuentra cada electrón en la red aparece en las imágenes con un cierto grado de «desenfoque», como si la ubicación no estuviera definida por un punto sino por una posición del área en la que los electrones están encerrados en la red. . El artículo describió esto como un movimiento de electrones de “punto cero”, un fenómeno relacionado con el principio de incertidumbre de Heisenberg. El alcance de esta incertidumbre refleja la naturaleza cuántica del cristal de Wigner.
«Los electrones, incluso cuando están congelados en un cristal de Wigner, deberían mostrar 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 nuevo tipo de cristal cuántico».
Yazdani y su equipo también están estudiando cómo el cristal de Wigner se funde y se transforma en otras fases líquidas exóticas de electrones que interactúan en un campo magnético. Los investigadores esperan obtener imágenes de estas fases de la misma manera que tomaron imágenes del cristal de Wigner.
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