Si las condiciones son las adecuadas, algunos de los electrones dentro de un material se organizarán en un patrón de panal ordenado, como un sólido dentro de un sólido.
Físicos ahora han tomado imágenes directamente de estos “cristales de Wigner“, que llevan el nombre del teórico nacido en Hungría Eugene Wigner, quien los imaginó por primera vez hace casi 90 años.
Los investigadores habían creado de manera convincente cristales Wigner y habían medido sus propiedades antes, pero esta es la primera vez que alguien ha tomado una instantánea de los patrones, dice el coautor del estudio Feng Wang, físico de la Universidad de California en Berkeley.
“Si dices que tienes un cristal de electrones, muéstrame el cristal”, dice.
Para crear los cristales de Wigner, el equipo de Wang construyó un dispositivo que contiene capas delgadas como átomos de dos semiconductores similares: disulfuro de tungsteno y diselenuro de tungsteno.
Luego, el equipo utilizó un campo eléctrico para ajustar la densidad de los electrones que se movían libremente a lo largo de la interfaz entre las dos capas.
En materiales ordinarios, los electrones giran demasiado rápido para verse afectados significativamente por la repulsión entre sus cargas negativas.
Pero Wigner predijo que si los electrones viajaran lo suficientemente lento, esa repulsión comenzaría a dominar su comportamiento.
Los electrones encontrarían entonces arreglos que minimicen su energía total, como un patrón de panal.
Entonces Wang y sus colegas desaceleraron los electrones en su dispositivo enfriándolo a solo unos pocos grados por encima del cero absoluto.
Un desajuste entre las dos capas del dispositivo también ayudó a los electrones a formar cristales de Wigner.
Los átomos en cada una de las dos capas de semiconductores están separados por distancias ligeramente diferentes, por lo que emparejarlos crea un “patrón de moiré” en forma de panal, similar al que se ve al superponer dos cuadrículas.
Ese patrón repetitivo creó regiones de energía ligeramente más baja, lo que ayudó a que los electrones se asentaran.
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En un STM, una punta de metal se cierne sobre la superficie de una muestra y un voltaje hace que los electrones salten hacia abajo desde la punta, creando una corriente eléctrica.
A medida que la punta se mueve por la superficie, la intensidad cambiante de la corriente revela la ubicación de los electrones en la muestra.
Los intentos iniciales de obtener imágenes del cristal de Wigner aplicando el STM directamente en el dispositivo de doble capa no tuvieron éxito, dice Wang, porque la corriente destruyó los frágiles arreglos de Wigner.
Entonces, el equipo agregó una capa de grafeno, una hoja de carbono de un solo átomo, en la parte superior.
La presencia del cristal de Wigner cambió ligeramente la estructura electrónica del grafeno directamente encima, que luego fue recogido por el STM.
Las imágenes muestran claramente la ordenada disposición de los electrones de Wigner subyacentes.
Como era de esperar, los electrones consecutivos en el cristal de Wigner están casi 100 veces más separados que los átomos en los cristales reales del dispositivo semiconductor.
“Creo que es un gran avance poder realizar STM en este sistema”, dice Carmen Rubio Verdú, física de la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York.
Ella agrega que el mismo método basado en grafeno permitirá estudios STM de una serie de otros fenómenos físicos interesantes más allá de los cristales de Wigner.
Kin Fai Mak, físico de la Universidad de Cornell en Ithaca, Nueva York, está de acuerdo.
“La técnica no es invasiva para el estado que se desea investigar. Para mí, es una idea muy inteligente“.
Fuente: Futurism
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