La primera visualización de un cristal de electrones cuánticos finalmente demuestra que existen

La confirmación del cristal de Wigner predicho muestra que la repulsión puede mantener el orden además de la atracción.

Imagen de un cristal triangular de Wigner tomada con un microscopio de efecto túnel. Esto representa un cristal que se forma puramente a partir de la naturaleza repulsiva de los electrones. Cada círculo azul contiene un único electrón localizado.

Crédito de la imagen: Yen-Chen Tsui, Universidad de Princeton

Por primera vez se ha visualizado un material exótico conocido como cristal de Wigner formado únicamente a partir de electrones. Estos cristales que suenan imposibles ya habían sido reclamados antes, pero nunca confirmados directamente. Además de demostrar su existencia, las imágenes revelaron aspectos inesperados de la naturaleza del extraño cristal.

Los materiales están compuestos de protones y electrones, así como de neutrones, porque la atracción entre ellos es necesaria para la estabilidad. Sin embargo, en la década de 1930, Eugene Wigner predijo que la repulsión puede ser tan buena como la atracción para mantener el orden, en las circunstancias adecuadas. Puedes sacar tus propias conclusiones sobre si esto es cierto en los asuntos humanos, pero noventa años después, finalmente sabemos que Wigner tenía razón acerca de la estructura de una red cristalina.

Sin la intervención de protones para atraerlos, los electrones intentarán alejarse lo más posible. En la mayoría de las circunstancias, esto los lleva a separarse. Sin embargo, si se puede encontrar alguna manera de mantener la densidad de los electrones, estos se organizarán a intervalos regulares para mantener la mayor distancia posible entre sí.

Imagine un grupo de personas que no se agradan atrapadas juntas en una habitación. Quieren alejarse más de la persona de su izquierda, pero eso significaría acercarse a la de su derecha, por lo que mantienen un orden rígido: es decir, un cristal.

Los teóricos propusieron que los llamados cristales de Wigner deberían existir cuando la energía potencial eléctrica entre los electrones es más de 40 veces mayor que su energía cinética. Dado que la energía cinética se puede reducir mediante una combinación de bajas temperaturas y un campo magnético adecuado, esto se puede comprobar.

Los cristales de Wigner clásicos se crearon en la década de 1970 pulverizando electrones sobre una superficie de helio. Sin embargo, estos electrones están tan distantes entre sí que se parecen más a partículas aisladas y, por lo tanto, no son particularmente interesantes. Los físicos están mucho más entusiasmados con el uso del comportamiento cuántico para empaquetar un cristal de electrones lo suficientemente cerca como para que los electrones muestren una cohesión similar a una onda.

Al atrapar electrones en capas semiconductoras de sólo unos pocos átomos de espesor, los físicos crearon lo que se sospechaba que eran cristales de Wigner, pero tuvieron problemas para demostrarlo. En estos casos, los electrones responden a los campos magnéticos de la manera que la teoría sugiere que debería hacerlo un cristal de Wigner, pero todo ha estado sucediendo en una escala demasiado pequeña para verlo. Además, es posible que las imperfecciones del cristal produzcan un comportamiento similar.

"Hay literalmente cientos de artículos científicos que estudian estos efectos y afirman que los resultados deben deberse al cristal de Wigner", dijo en un comunicado el profesor Ali Yazdani de la Universidad de Princeton. “Pero no podemos estar seguros, porque en ninguno de estos experimentos se ve realmente el cristal. "

Al unir átomos de carbono en dos láminas de grafeno de la manera más consistente posible, Yazdani y sus colegas redujeron el peligro de que las imperfecciones produjeran un comportamiento similar al de Wigner. Luego pasaron un microscopio de efecto túnel (STM) sobre el material para confirmar su trabajo.

Con solo cambiar la densidad, se puede iniciar esta transición de fase y descubrir que los electrones se forman espontáneamente en un cristal ordenado.

"Nuestro grupo ha podido producir 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. "

Luego, las láminas se enfriaron a menos de un grado por encima del cero absoluto y se colocaron en un campo magnético en ángulo recto con la muestra, creando un gas de electrones de un electrón de espesor entre las láminas de grafeno.

"En nuestro experimento, podemos obtener imágenes del sistema a medida que ajustamos el número de electrones por unidad de área", dijo el estudiante graduado Yen-Chen Tsui. “Con solo cambiar la densidad, se puede iniciar esta transición de fase y descubrir que los electrones se forman espontáneamente en un cristal ordenado. "

Cuando las densidades son bajas, las fuerzas de los electrones vecinos son lo suficientemente pequeñas como para que otros factores tomen el control y los electrones se ordenen caóticamente. Sin embargo, a medida que los electrones se aprietan, su repulsión los obliga a formar una red ordenada, que se convierte en un electrón líquido cuando la densidad o la temperatura aumentan aún más.

La transición de cristal a líquido podría visualizarse con el STM, afirmó Tsui. “Nuestro trabajo proporciona las primeras imágenes directas de este cristal. Probamos que el cristal realmente está ahí y podemos verlo. "

El cristal tiene una configuración triangular y, si bien se puede ajustar a medida que se ajusta la densidad, resultó que la repulsión por sí sola lo mantiene estable en una amplia gama de condiciones, contrariamente a lo esperado.

Una de las características clave de la mecánica cuántica es que las partículas subatómicas como los electrones existen como una curva de probabilidad en un rango de posiciones, en lugar de tener una ubicación precisa. Este rango, conocido como movimiento de punto cero de los electrones porque ocurre sin niveles elevados de energía, crea una visión borrosa en la ubicación de los electrones del cristal cuando se observa.

El equipo pudo medir el alcance de esta borrosidad y 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. "

La descripción de la primera visualización del cristal de Wigner se publica en acceso abierto en la revista Nature.