No es frecuente que jugar en el laboratorio haya producido un avance fundamental, al estilo de Michael Faraday con sus imanes y prismas. Aún más raro es el descubrimiento de lo mismo por dos equipos de investigación al mismo tiempo: me vienen a la mente Newton y Leibniz. Pero de vez en cuando, incluso los eventos más raros ocurren. El verano de 2021 ha sido una temporada excepcional para la física de la materia condensada. Tres equipos separados de investigadores han creado un cristal hecho completamente de electrones, y uno de ellos lo hizo por accidente.

Los investigadores estaban trabajando con semiconductores de un solo átomo de espesor, enfriados a temperaturas ultrabajas. Un equipo, dirigido por Hongkun Park junto con Eugene Demler, ambos de Harvard, descubrió que cuando estaban presentes cantidades muy específicas de electrones en las capas de estas astillas de semiconductor, los electrones se detenían en seco y permanecían «misteriosamente inmóviles». Finalmente, los colegas recordaron una vieja idea que tenía que ver con los cristales de Wigner, que eran una de esas cosas que existen en el papel y en teoría, pero que nunca se habían verificado en la vida. Wigner había calculado que debido a la repulsión electrostática mutua, los electrones en una monocapa asumirían un patrón de triple cuadrícula.

El grupo de Park y Demler no estaba solo en sus tribulaciones. “Un grupo de físicos teóricos dirigido por Eugene Demler de la Universidad de Harvard, que se está mudando a ETH [ETH Zurich, in Switzerland] este año, había calculado teóricamente cómo debería aparecer ese efecto en las frecuencias de excitación observadas de los excitones, y eso es exactamente lo que observamos en el laboratorio ”, dijo Ataç Imamoğlu, él mismo de ETH. El grupo de Imamoğlu utilizó la misma técnica para documentar la formación de un cristal Wigner.

Los electrones actúan como polos magnéticos en cierto modo: lo similar se repele. En los sólidos, los electrones ayudan a crear redes cristalinas regulares que se repiten. Pero es una historia diferente en los líquidos. Debido a que los electrones líquidos se alteran tan fácilmente, cuando se los deja solos, su forma de onda colectiva es caótica, llena de interferencias cambiantes y desiguales.

Conseguir que se asienten requiere una perfecta confluencia de condiciones extremas. Primero, es más fácil cuando no hay muchos otros electrones que causen alteraciones en el patrón. Además, se puede disponer un número perfectamente divisible de electrones en una cuadrícula perfecta. Un grupo independiente de investigadores, incluido el autor correspondiente Feng Wang de UC Berkeley, estaba trabajando con un semiconductor hecho de capas delgadas como átomos de disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno. Los átomos en esos compuestos están separados por distancias ligeramente diferentes, por lo que las capas superpuestas crearon un «patrón muaré en forma de panal» de regiones de energía muy levemente más bajas, lo que también ayudó a que los electrones se asentaran.

Luego está la temperatura. Todo se ralentiza cuando hace mucho frío, por lo que llevar la temperatura a unos pocos grados del cero absoluto ayuda a mantener los electrones volátiles donde se supone que deben estar. Aquí es donde los fenómenos cuánticos comienzan a reemplazar el comportamiento clásico de los electrones. En lugar de actuar como frentes de onda en el agua, los electrones comienzan a actuar más de acuerdo con su naturaleza de partículas. Pero una vez que hace frío y está lo suficientemente quieto, de repente contener los electrones se vuelve mucho más fácil. Se vuelve menos como pastorear gatos y más como esos patrones acústicos de placas de arena. Con el número correcto de electrones, en realidad se alinean por sí mismos.

(Nota del autor: déle un reloj si desea una demostración de A / V genial de partículas y ondas que se autoorganizan para evitar ciertos lugares y concentrarse en otros. Advertencia: baje el volumen. Es como una combinación de retroalimentación de micrófono y una sirena de ataque aéreo).

Los electrones son la unidad funcional de la electricidad. Entonces, podría parecer que si juntamos una tonelada completa de electrones, lo que tendrías quizás sea algo así como un rayo en forma de bola: una cantidad de electricidad potente, condensada y muy poderosa que está esperando para golpear algo. Pero eso no es lo que sucede en un cristal Wigner. La electricidad es el resultado del movimiento de los electrones, no solo de su presencia. Acorralar los electrones en una ordenada triple cuadrícula atómica significa que hay poco movimiento de electrones dentro de ese material. También es la definición de aislante. Así es como los investigadores sabían que habían creado un cristal de electrones: donde esperaban que su semiconductor se semicondujera, no lo haría. Mantenidos dentro de sus casilleros, los electrones no se movían, por lo que tampoco la electricidad. Estos «cristales» son 100% de electrones, pero son aislantes.

Las fluctuaciones cuánticas cercanas al cero absoluto provocan transiciones de fase cuántica, entre líquidos que fluyen libremente y cristales cuánticos como los cristales de Wigner. Se cree que estas transiciones cuánticas son importantes en muchos otros sistemas cuánticos. Una vez que supieron que tenían un cristal Wigner, para explorar sus propiedades, el equipo de Harvard decidió someterlo a una «fusión cuántica», que aparentemente es como una fusión normal, pero en una escala tan pequeña que es cuántica …

Toda esta emoción tuvo lugar a una escala tan pequeña que los científicos no pudieron visualizarla ni siquiera con los mejores microscopios de luz. Pero los intentos iniciales de utilizar un microscopio de efecto túnel destruyeron la delicada superficie del cristal. En un destello de conocimiento, el equipo de Wang superpuso el semiconductor con una hoja de grafeno de un solo átomo de espesor. Los cristales de Wigner debajo alteraron muy levemente la estructura electrónica del grafeno, que el microscopio de túnel de barrido podría captar. Para verificar que habían creado un cristal de Wigner, los físicos tuvieron que hacer ping con fotones individuales, soltando un electrón y creando una cosa llamada «excitón», que pudieron detectar.

«Esto está justo en el límite de la cuestión de [sic] cambiando de material parcialmente cuántico a material parcialmente clásico y tiene muchos fenómenos y propiedades inusuales e interesantes ”, dijo Demler en un comunicado. Exactamente cuáles son, llevará algún tiempo resolverlos.

Fuente: ezanime.net