Descubren por accidente un posible nuevo estado de la materia (a temperatura ambiente)

Los humanos han estado estudiando la carga eléctrica durante miles de años, y los resultados han dado forma a la civilización moderna.

Nuestra vida diaria depende de la iluminación eléctrica, los teléfonos inteligentes, los automóviles y las computadoras, de manera que las primeras personas en tomar nota de una descarga estática o un rayo nunca podrían haber imaginado.

Ahora, los físicos de Northeastern han descubierto una nueva forma de manipular la carga eléctrica.

Y los cambios en el futuro de nuestra tecnología podrían ser monumentales.

“Cuando se descubren tales fenómenos, la imaginación es el límite“, dice Swastik Kar, profesor asociado de física.

“Podría cambiar la forma en que podemos detectar y comunicar señales.

Podría cambiar la forma en que podemos sentir las cosas y el almacenamiento de información, y las posibilidades en las que aún no hemos pensado“.

La capacidad de mover, manipular y almacenar electrones es clave para la gran mayoría de la tecnología moderna, ya sea que estemos tratando de recolectar energía del sol o jugar Plants vs. Zombies en nuestro teléfono.

En un artículo publicado en Nanoscale, los investigadores describieron una forma de hacer que los electrones hagan algo completamente nuevo: distribuirse uniformemente en un patrón cristalino estacionario.

“Estoy tentado a decir que es casi como una nueva fase de la materia“, dice Kar.

“Porque es puramente electrónico”.

El fenómeno apareció mientras los investigadores realizaban experimentos con materiales cristalinos que tienen solo unos pocos átomos de espesor, conocidos como materiales 2D.

Estos materiales están formados por un patrón repetitivo de átomos, como un tablero sin fin, y son tan delgados que los electrones en ellos solo pueden moverse en dos dimensiones.

Apilar estos materiales ultrafinos puede crear efectos inusuales a medida que las capas interactúan a un nivel cuántico.

Kar y sus colegas estaban examinando dos de estos materiales 2D, seleniuro de bismuto y un dicholcogenuro de metal de transición, superpuestos como hojas de papel.

Fue entonces cuando las cosas comenzaron a ponerse raras.

Los electrones deben repelerse entre sí: tienen carga negativa y se alejan de otras cosas con carga negativa.

Pero eso no es lo que estaban haciendo los electrones en estas capas.

Estaban formando un patrón estacionario.

“En ciertos ángulos, estos materiales parecen formar una manera de compartir sus electrones que terminan formando esta tercera red geométrica periódica“, dice Kar.

“Un conjunto perfectamente repetible de charcos electrónicos puros que reside entre las dos capas“.

Al principio, Kar asumió que el resultado fue un error.

Las estructuras cristalinas de los materiales 2D son demasiado pequeñas para observarlas directamente, por lo que los físicos usan microscopios especiales que disparan haces de electrones en lugar de luz.

A medida que los electrones pasan a través del material, interfieren entre sí y crean un patrón.

El patrón específico (y un montón de matemáticas) se puede utilizar para recrear la forma del material 2D.

Cuando el patrón resultante reveló una tercera capa que no podía provenir de ninguna de las otras dos, Kar pensó que algo había salido mal en la creación del material o en el proceso de medición.

Fenómenos similares se han observado antes, pero solo a temperaturas extremadamente bajas.

Las observaciones de Kar fueron a temperatura ambiente.

“¿Alguna vez has entrado en un prado y has visto un manzano con mangos colgando de él?” Kar pregunta.

“Por supuesto, pensamos que algo andaba mal. Esto no podría estar sucediendo“.

Pero después de repetidas pruebas y experimentos dirigidos por el estudiante de doctorado Zachariah Hennighausen, sus resultados siguieron siendo los mismos.

Apareció un nuevo patrón de puntos en forma de celosía entre los materiales 2D.

Y ese patrón cambió con la orientación de las dos capas de emparedado.

Mientras Kar y su equipo trabajaban en la investigación experimental, Arun Bansil, un distinguido profesor universitario de física en Northeastern, y el estudiante de doctorado Chistopher Lane estaban examinando las posibilidades teóricas para comprender cómo podría estar sucediendo esto.

Los electrones en un material siempre rebotan, explica Bansil, ya que son atraídos por los núcleos de átomos cargados positivamente y repelidos por otros electrones cargados negativamente.

Pero en este caso, algo sobre la forma en que se distribuyen estas cargas es agrupar electrones en un patrón específico.

“Producen estas regiones donde hay, si lo desea, zanjas de algún tipo en el paisaje potencial, que son suficientes para obligar a estos electrones a crear estos charcos de carga“, dice Bansil.

“La única razón por la que los electrones se formarán en charcos es porque hay un agujero potencial allí“.

Estas zanjas, por así decirlo, son creadas por una combinación de factores mecánicos y físicos cuánticos, dice Bansil.

Cuando dos patrones o cuadrículas repetitivas se compensan, se combinan para crear un nuevo patrón (puede replicar esto en casa superponiendo los dientes de dos peines planos).

Cada material 2D tiene una estructura repetitiva, y los investigadores demostraron que el patrón creado cuando se apilan esos materiales determina dónde terminarán los electrones.

“Ahí es donde se vuelve cuánticamente favorable para que residan los charcos“, dice Kar.

“Casi está guiando a esos charcos de electrones a permanecer allí y en ningún otro lugar. Es fascinante.”

Si bien la comprensión de este fenómeno aún está en su infancia, tiene el potencial de afectar el futuro de la electrónica, los sistemas de detección y el procesamiento de la información.

“La emoción en este punto es poder demostrar potencialmente algo que la gente nunca pensó que podría existir a temperatura ambiente antes“, dice Kar.

“Y ahora, el cielo es el límite en términos de cómo podemos aprovecharlo“.

Fuente: NorthEastern