Esta es la primera mirada directa a un extraño cristal hecho únicamente de electrones
Laboratorio Yazdani, Universidad de Princeton
Es difícil convencer a los electrones para que formen un cristal, y aún más difícil medir esta estructura. Pero los físicos ahora han logrado obtener imágenes directas de un “cristal de Wigner”, y sus imágenes son las más claras hasta el momento.
“Se han escrito muchos, literalmente cientos, de artículos sobre la búsqueda de evidencia del cristal de Wigner de manera indirecta”, dice Ali Yazdani en la Universidad de Princeton. “Y nunca pensamos que lo lograríamos [directly] imaginándolo. Fue un poco un accidente”.
A temperatura ambiente, los electrones pueden fluir juntos en corrientes eléctricas porque su energía cinética supera la fuerza que hace que las partículas con la misma carga eléctrica se repelan entre sí. Sin embargo, a temperaturas muy bajas, las fuerzas eléctricas repulsivas ganan y los electrones terminan ordenándose en una rejilla uniforme o un cristal. El físico Eugene Wigner predijo este fenómeno en 1934, pero sólo recientemente los investigadores comenzaron a comprender cómo crear cristales de Wigner en el laboratorio.
Yazdani y sus colegas fabricaron su cristal Wigner a partir de electrones dentro de dos finas láminas de grafeno, cada uno de ellos con un solo átomo de espesor. Para disminuir la energía cinética de los electrones, pusieron el grafeno dentro de un frigorífico que lo enfrió sólo unas centésimas de grado por encima. cero absoluto y lo sumergió en un fuerte campo magnético.
Yazdani dice que era crucial que su grafeno tuviera muy pocas imperfecciones donde los electrones pudieran quedarse atascados. De lo contrario, las partículas podrían formar un estado cristalino debido a la estructura de esas imperfecciones, más que a las interacciones entre sí, como predijo Wigner.
En experimentos anteriores, los investigadores buscaban evidencia de un cristal de Wigner tratando de empujar a los electrones para que formaran corrientes: una vez que las partículas dejaban de fluir, los investigadores podían inferir que los electrones estaban atrapados en una rejilla. Pero el equipo de Yazdani tomó imágenes directamente de su cristal con un microscopio especial.
Este microscopio utilizó un efecto cuántico llamado túnel. Escaneó una punta metálica extremadamente afilada a través de la superficie del grafeno y, cuando pasó sobre un electrón, la partícula atravesó el espacio entre la superficie y la punta, creando una pequeña corriente eléctrica. Gracias a estas corrientes, los investigadores sabían dónde y con qué densidad estaban colocados los electrones dentro del grafeno, lo que les permitió crear las imágenes más precisas de un cristal de Wigner hasta el momento.
Otro experimento utilizó este método anteriormente, pero en ese caso, la rejilla de electrones estaba dentro de un material que a su vez estaba intercalado entre capas de otros materiales. Esto hizo que las imágenes fueran menos directas y dificultó determinar por qué los electrones formaron un cristal; podrían haber sido influenciados por la estructura en forma de rejilla de los materiales cercanos.
En sus imágenes, Yazdani y sus colegas vieron electrones sentados en los vértices de triángulos repetidos, tal como predijo Wigner. Además, rastrearon cómo cambiaba la estructura del cristal a medida que cambiaban factores como la temperatura, la fuerza del campo magnético y la cantidad de electrones que contenía, lo que podían hacer aplicando un voltaje eléctrico al material. En estas condiciones cambiantes, el cristal se “fundió” en un fluido de electrones exótico e incompresible, así como en un fluido en el que los electrones formaban rayas.
Estos estados fundidos son lo que el equipo quiere visualizar a continuación. Algunos de ellos están llenos de excitaciones similares a partículas, que son como los electrones pero solo llevan una fracción de su carga. Yazdani espera que él y sus colaboradores también puedan imaginar la cristalización de las excitaciones.
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