Los físicos finalmente capturan el misterioso cristal de Wiener 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 deambulando por todos lados.

Hace noventa años, el físico teórico Eugene Wigner descubrió Sugerirlo Y tampoco tenían que charlar: que los electrones libres podrían agruparse en un extraño tipo de materia que no contenía ningún átomo, sólo electrones atrapados por su propia repulsión en una elegante red cristalina.

Esto se conoce como cristal de Wigner, y los físicos finalmente han obtenido evidencia observacional directa de que podría 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, evidencia indirecta de su formación». Dice el físico Yazdani De la Universidad de Princeton.

«Visualizar este cristal no sólo nos permite observar su formación y confirmar muchas de sus propiedades, sino que también podemos estudiarlo de formas que no habíamos podido estudiar en el pasado».

La cristalinidad se refiere a la forma en que se pueden organizar los átomos en un sólido. En los materiales cristalinos típicos, los átomos están unidos entre sí de tal manera que forman un patrón que se repite en el espacio.

El artículo pionero de Wegener en 1934 proponía que los electrones podrían formar disposiciones similares, apoyados (no obstaculizados) por la repulsión mutua resultante de la carga negativa que portan todos los electrones.

A temperaturas y densidades muy bajas, la interacción repulsiva entre electrones, sostiene, hace que su energía potencial domine sobre su necesidad de amplificarse, lo que hace que caigan en estructuras reticulares similares a cristales.

Estos cristales no se comportarán según la física clásica, sino según la mecánica cuántica, donde los electrones unidos no se comportan como partículas separadas, sino como una sola onda. Una variedad de experimentos que involucran sistemas bidimensionales diseñados para detectar las consecuencias de este comportamiento han logrado obtener evidencia indirecta de la existencia de cristales de Wegener, pero la evidencia directa ha sido algo más difícil de obtener.

«Hay cientos de artículos científicos que estudian estos efectos y afirman que los resultados deben deberse a la cristalización de Wigner». Yazdani dice«Pero no podemos estar seguros, porque ninguno de estos experimentos ha permitido ver el cristal».

Teniendo en cuenta los inconvenientes de tales experimentos, un equipo dirigido por los físicos Yin Zhen Cui, Minhao He y Yuen Hu de la Universidad de Princeton diseñó un experimento que esperaban resolvería los problemas anteriores y revelaría el cristal.

Utilizaron campos magnéticos para inducir la cristalización de electrones de Wigner en grafeno, pero no cualquier grafeno antiguo. El material tenía que ser lo más puro posible, para eliminar cualquier efecto que pudiera surgir de defectos atómicos.

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

El cristal de Wigner contiene un punto óptimo con densidad de electrones. Si la densidad es demasiado baja, los electrones se empujarán entre sí y se alejarán. Si la densidad es demasiado alta, los electrones se agruparán para formar e-líquido.

En el punto Ricitos de Oro, los electrones intentarán repelerse entre sí… pero su escape será cortado por otros electrones. Así se ordenarán formando una cuadrícula, manteniendo la mayor distancia 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 explorar materiales a nivel atómico, donde la microscopía óptica es completamente inaccesible.

«En nuestro experimento, podemos obtener imágenes del sistema mientras ajustamos el número de electrones por unidad de área. Sólo cambiando la densidad se puede iniciar esta transición de fase y encontrar 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 realmente existe y podemos verlo».

Sus mediciones también confirmaron modelos que describen la red como triangular cuando está confinada a un espacio bidimensional, aunque descubrieron que puede permanecer estable cuando la densidad está sintonizada en gran medida, lo que contradice teorías anteriores de que el rango de densidad debe ser muy pequeño. . . También descubrieron que los electrones no ocupan un solo punto en la red, sino más bien un conjunto difuso de posiciones descritas como Movimiento de punto cero.

«Los electrones, incluso cuando están congelados en un cristal de Wigner, deberían exhibir un fuerte movimiento en el punto cero». Yazdani dice. «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 resultados han sido publicados en naturaleza.