13 de Agosto de 2021
Materiales

Los físicos crean un «cristal de Wigner» hecho de electrones

El hallazgo inequívoco de un cristal de Wigner se basó en una nueva técnica para explorar el interior de materiales complejos.

El cristal de Wigner solo se forma cuando dos láminas de electrones adoptan una determinada geometría triangular. [Olena Shmahalo/Quanta Magazine]

En 1934, Eugene Wigner, pionero de la mecánica cuántica, propuso un extraño tipo de materia: un cristal hecho de electrones. La idea era sencilla, pero demostrarla resultó mucho más difícil. A lo largo de ocho décadas, los físicos intentaron muchos trucos para empujar a los electrones a formar esos «cristales de Wigner», con escaso éxito. Sin embargo, en julio, dos grupos independientes publicaron en Nature las observaciones experimentales más directas de cristales de Wigner realizadas hasta la fecha.

«La cristalización de Wigner es una idea muy antigua», señala Brian Skinner, físico de la Universidad Estatal de Ohio que no participó en los trabajos. «Realmente fue un placer contemplarla de manera tan nítida.»

Podría parecer que, para conseguir que los electrones formen un cristal de Wigner, simplemente tendríamos que enfriarlos. Los electrones se repelen entre sí, así que disminuir la temperatura reduciría su energía y los congelaría en una red, como cuando el agua se convierte en hielo. Sin embargo, los electrones fríos obedecen las peculiares leyes de la mecánica cuántica: se comportan como ondas. En lugar de ocupar un lugar fijo en una red ordenada, esos electrones ondulatorios tienden a moverse y chocar con sus vecinos. Lo que debería ser un cristal se convierte en algo más parecido a un charco.

Uno de los equipos responsables del descubrimiento se topó con un cristal de Wigner casi por accidente. Los investigadores del grupo dirigido por Hongkun Park, de la Universidad Harvard, estaban tratando de observar el comportamiento de los electrones en un sistema formado por láminas excepcionalmente finas de un semiconductor, separadas por un material que los electrones no podían atravesar. Los físicos enfriaron este «sándwich» semiconductor a menos de −230 grados Celsius y fueron variando el número de electrones presentes en cada una de las capas.

El equipo observó que, cuando había un determinado número de electrones en cada capa, todos se quedaban misteriosamente quietos. «De algún modo, los electrones del interior de los semiconductores no podían moverse. Fue un hallazgo realmente sorprendente», afirma You Zhou, primer autor del estudio.

Zhou compartió sus resultados con sus colegas teóricos, que acabaron recordando una vieja idea de Wigner. Este había calculado que los electrones en un material bidimensional plano adoptarían un patrón similar al de un suelo perfectamente recubierto con baldosas triangulares. Y ese cristal impediría que los electrones se movieran.

En el cristal de Zhou, las fuerzas de repulsión entre los electrones de cada capa y entre las distintas capas actuaban conjuntamente para organizar los electrones en la red triangular de Wigner. Esas fuerzas eran lo bastante intensas para evitar que los electrones se movieran según lo predicho por la mecánica cuántica. Pero este comportamiento solo emergía cuando el número de electrones en cada capa era tal que las mallas superior e inferior del cristal se alineaban: los triángulos más pequeños de una capa tenían que llenar exactamente el espacio que quedaba dentro de los triángulos más grandes de la otra. Park se refiere a las proporciones de electrones que produjeron esas condiciones como «signos reveladores de los cristales bicapa de Wigner».

Cuando se dieron cuenta de que tenían un cristal de Wigner entre manos, el equipo de Harvard hizo que se fundiera, forzando a los electrones a adoptar su naturaleza ondulatoria. La fusión del cristal de Wigner es una transición de fase cuántica, similar a la de un cubito de hielo que se convierte en agua, pero sin que intervenga ningún calentamiento. Los teóricos ya habían predicho las condiciones necesarias para que se produjera el proceso, pero el nuevo experimento es el primero que las confirma a través de mediciones directas. «Fue muy muy emocionante ver en los datos experimentales lo que habíamos aprendido en libros de texto y artículos», valora Park.

Otros experimentos anteriores habían hallado indicios de la cristalización de Wigner, pero los nuevos estudios ofrecen la prueba más directa gracias a una novedosa técnica experimental. Los investigadores iluminaron las capas semiconductoras con luz láser para crear entidades parecidas a las partículas, denominadas excitones. A continuación, el material reflejaba o volvía a emitir esa luz. Analizándola, los investigadores podían saber si los excitones habían interactuado con electrones ordinarios que se movían libremente o con electrones congelados en un cristal de Wigner. «Tenemos pruebas directas de la existencia de un cristal de Wigner», asegura Park. «Se puede ver realmente que es un cristal con esa estructura triangular.»

El segundo equipo de investigación, dirigido por Ataç Imamoğlu, de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich, empleó la misma técnica para observar la formación de un cristal de Wigner.

El nuevo trabajo pone de manifiesto el conocido problema de la interacción entre múltiples electrones. Cuando juntamos muchos electrones en un espacio reducido, se empujan unos a otros y resulta imposible llevar la cuenta de todas las fuerzas interconectadas.

Philip Phillips, físico de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign que no participó en los experimentos, describe los cristales de Wigner como un arquetipo de todos esos sistemas. Apunta que el único problema relacionado con los electrones y las fuerzas eléctricas que los físicos saben resolver con papel y lápiz es el de un único electrón en el átomo de hidrógeno. En átomos con tan solo dos electrones, predecir el comportamiento de los electrones que interactúan se torna imposible. El problema de la interacción entre múltiples electrones se ha considerado durante mucho tiempo uno de los más complejos de la física.

En el futuro, el equipo de Harvard prevé utilizar su sistema para responder a preguntas pendientes sobre los cristales de Wigner y los electrones fuertemente correlacionados. Una pregunta abierta es qué ocurre exactamente cuando se funde el cristal de Wigner, y hay muchas teorías alternativas. Además, el equipo observó cristales de Wigner en su sándwich semiconductor a temperaturas más altas y para cantidades mayores de electrones que las previstas por los teóricos. Investigar por qué ocurre eso podría permitirnos comprender mejor el comportamiento de los electrones fuertemente correlacionados.

Eugene Demler, teórico de Harvard que ha contribuido a los dos nuevos estudios, cree que el trabajo zanjará viejos debates teóricos e inspirará nuevas preguntas. «Siempre es mucho más fácil trabajar en un problema cuando puedes consultar las respuestas al final del libro», concluye. «Y tener experimentos adicionales es como consultar la respuesta.»

Karmela Padavic-Callaghan/Quanta Magazine

Artículo traducido por Investigación y Ciencia con el permiso de QuantaMagazine.org, una publicación independiente promovida por la Fundación Simons para potenciar la comprensión pública de la ciencia.

Referencias: «Bilayer Wigner crystals in a transition metal dichalcogenide heterostructure», You Zhou et al. en Nature, vol. 595, págs. 48–52, 1 de julio de 2021; «Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor», Tomasz Smoleński et al. en Nature, vol. 595, págs. 53–57, 1 de julio de 2021.

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