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Los electrones son pequeñas cosas maravillosas. A menudo se quedan alrededor de núcleos atómicos en órbita, 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 hablar mucho: los electrones libres pueden verse obligados a unirse en un tipo peculiar de materia que no tiene átomos en absoluto, sólo electrones atrapados por su propia repulsión en una ordenada red cristalina.

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 que se hayan predicho y es objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, pruebas indirectas de su formación», 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 podíamos hacer 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.

A temperaturas extremadamente bajas y densidades bajas, la interacción repulsiva entre electrones, teorizó, debería hacer que su energía potencial dominara su necesidad de moverse, provocando que cayeran en disposiciones reticulares similares a cristales.

Estos cristales no se comportarían según la física clásica, sino según la mecánica cuántica, donde 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 arrojado evidencia indirecta de la existencia de cristales de Wigner, pero la evidencia directa ha sido un poco más difícil de conseguir.

«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 en ninguno de estos experimentos se ve realmente el cristal».

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

Utilizaron campos magnéticos para inducir un cristal de Wigner de electrones en grafeno, pero no un grafeno cualquiera. El material tenía que ser lo más prístino 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 Wigner revelado usando STM. (Yen-Chen Tsui, Universidad de Princeton)

El cristal de Wigner tiene un punto óptimo de densidad electrónica. Si la densidad es demasiado baja, los electrones se alejarán unos a otros y simplemente se alejarán. Si la densidad es demasiado alta, los electrones se mezclarán formando un líquido de electrones.

En el punto Ricitos de Oro, los electrones intentarán repelerse entre sí… pero su escape será cortado por otros electrones. Entonces simplemente se organizarán en una 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. Usos de STM túnel cuántico para sondear materiales a escala atómica, donde la microscopía óptica no puede llegar.

«En nuestro experimento, podemos obtener imágenes del 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 está confinada a un espacio 2D, aunque encontraron que puede permanecer estable cuando la densidad se ajusta en un grado bastante grande, 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 un rango borroso de posiciones descrito 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 cristal cuántico novedoso».

Los hallazgos han sido publicados en Naturaleza.