Un cristal hecho exclusivamente de electrones: los cristales de Wegner del “Santo Grial” se observaron por primera vez

Los investigadores de ETH Zurich han logrado observar un cristal que consta solo de electrones. Estos cristales de Wigner ya se predijeron hace casi noventa años, pero ahora solo se pueden observar directamente en un material semiconductor.

Los cristales han fascinado a las personas a lo largo de los siglos. ¿Quién no ha admirado los intrincados patrones de un copo de nieve en algún momento, o las superficies perfectamente simétricas de un cristal de roca? La magia no se detiene incluso si se sabe que todo esto es causado por una simple interacción entre la gravedad y la repulsión entre átomos y electrones. Un equipo de investigadores dirigido por Atak Imamoglu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica de ETH Zurich, ha producido un cristal muy especial. A diferencia de los cristales ordinarios, se compone exclusivamente de electrones. Al hacerlo, confirmaron una predicción teórica hecha hace casi noventa años que desde entonces ha sido considerada como una especie de santo grial de la física de la materia condensada. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica naturaleza.

Décadas de predicción

“Lo que nos entusiasmó con este problema es su simplicidad”, dice Imamoglu. En 1934, Eugene Wiener, uno de los fundadores de la teoría de la simetría en la mecánica cuántica, demostró que los electrones en una sustancia teóricamente podían organizarse en patrones regulares similares a cristales debido a su repulsión eléctrica mutua. La lógica detrás de esto es muy simple: si la energía de la repulsión eléctrica entre los electrones es mayor que su energía cinética, se ordenarán de tal manera que su energía total sea lo más pequeña posible.

A pesar de esto, esta predicción durante varias décadas siguió siendo puramente teórica, ya que los “cristales de Wigner” solo pueden formarse en condiciones extremas como bajas temperaturas y muy pocos electrones libres en el material. Esto se debe en parte a que los electrones son miles de veces más ligeros que los átomos, lo que significa que su energía cinética en el orden ordinario suele ser mucho mayor que la energía electrostática debido a la interacción entre los electrones.

Electrones en el plano

Para sortear esos obstáculos, Imamoglu y sus colaboradores eligieron una capa delgada de dislenuro de molibdeno semiconductor que tiene solo un átomo de espesor, por lo que los electrones solo pueden moverse en un plano. Los investigadores pueden cambiar la cantidad de electrones libres aplicando un voltaje a dos electrodos de grafeno transparentes, entre los cuales se coloca un semiconductor. Según consideraciones teóricas, las propiedades eléctricas del bisulfuro de molibdeno deberían favorecer la formación de un cristal de Wigner, siempre que todo el dispositivo se enfríe a unos pocos grados por encima del cero absoluto de menos 273,15 ° C.

Los electrones en una sustancia generalmente se comportan como un líquido turbulento (izquierda), pero pueden formar un cristal Wigner regular (derecha) bajo ciertas condiciones. Crédito: ETH Zurich

Sin embargo, simplemente producir un cristal Wigner no es suficiente. “El siguiente problema fue demostrar que efectivamente tenemos cristales de Wigner en nuestros dispositivos”, dice Tomasz Smolensky, autor principal de la publicación y postdoctorado en el laboratorio de Imamoglu. Se ha calculado que la distancia entre los electrones es de unos 20 nanómetros, o casi treinta veces más pequeña que la longitud de onda de la luz visible y, por tanto, imposible de resolver incluso con los mejores microscopios.

Detección por excitones

Usando un truco, los físicos pudieron hacer visible la disposición regular de electrones a pesar de esta pequeña separación en la red cristalina. Para hacer esto, utilizaron luz de cierta frecuencia para excitar los llamados excitones en la capa semiconductora. Los excitones son pares de electrones y “huecos” que resultan de la falta de un electrón en el nivel de energía de la materia. La frecuencia de luz exacta para la formación de tales excitones y la velocidad con la que se mueven depende tanto de las propiedades del material como de la interacción con otros electrones en el material, con un cristal de Wigner, por ejemplo.

La disposición periódica de los electrones en el cristal crea un efecto que a veces se puede ver en la televisión. Cuando una bicicleta o un automóvil se mueven cada vez más rápido, las ruedas por encima de cierta velocidad parecen detenerse y luego girar en la dirección opuesta. Esto se debe a que la cámara toma una instantánea de la rueda cada 40 milisegundos. Si los frenos de una rueda espaciada regularmente se mueven exactamente en ese momento la distancia entre los radios, parece que la rueda ya no gira. De manera similar, en presencia de un cristal de Wigner, los excitones en movimiento parecen estacionarios siempre que se muevan a una cierta velocidad determinada por la separación de electrones en la red cristalina.

Primera nota directa

“Un grupo de físicos teóricos dirigido por Eugene Daimler de la Universidad de Harvard, que está haciendo la transición a ETH este año, ha calculado teóricamente cómo debería aparecer este efecto en las frecuencias de excitación observadas de los excitones, y esto es exactamente lo que observamos en el laboratorio”. Imamoglu dice. En contraste con experimentos previos basados ​​en semiconductores planos, en los cuales los cristales de Wigner han sido observados indirectamente por mediciones actuales, esto es una confirmación directa de la disposición regular de electrones en el cristal. En el futuro, Imamoglu y sus colegas esperan, con su nuevo método, para investigar exactamente cómo se forman los cristales de Wigner a partir de un “líquido” de electrones desordenados.

Referencia: “Firmas de cristal de Wigner de electrones en un semiconductor monocapa” por Tomasz Smolensky, Pavel E Dolgerev, Clemens Kohlenkamp, ​​Alexander Popert, Yuya Shimazaki, Patrick Buck, Xiaobo Lu, Martin Kroner, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Ilya Esterley, Eugene Daimler y Aitt Imamoglu, 30 de junio de 2021, disponible aquí. naturaleza.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03590-4