Físicos capturan la primera imagen de un cristal de electrones

Los hallazgos confirman una teoría de hace 90 años sobre cómo los electrones pueden ensamblarse sin átomos.

Normalmente se ve a los electrones revoloteando alrededor de sus átomos, pero un equipo de físicos ha obtenido imágenes de las partículas en un estado muy diferente: agrupadas en una fase cuántica llamada cristal de Wigner, sin un núcleo.

La fase lleva el nombre de Eugene Wigner, quien predijo en 1934 que los electrones cristalizarían en una red cuando ciertas interacciones entre ellos fueran lo suficientemente fuertes.

Se utilizó microscopía de efecto túnel de barrido de alta resolución para obtener imágenes directamente del cristal predicho.

“El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes que se hayan predicho y es objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, evidencia indirecta de su formación“, dijo Ali Yazdani, físico de la Universidad de Princeton y el autor principal del estudio, en un comunicado de la universidad.

Los electrones se rechazan mutuamente: les gusta mantenerse alejados unos de otros.

En la década de 1970, un equipo de los Laboratorios Bell creó un cristal de electrones rociando partículas sobre helio y observaron que los electrones se comportaban como un cristal.

Pero ese experimento quedó estancado en el ámbito clásico.

El reciente experimento produjo un “verdadero cristal de Wigner“, según el equipo, porque los electrones en la red funcionaban como una onda en lugar de como partículas individuales pegadas entre sí.

Wigner teorizó que esta fase cuántica de los electrones se produciría debido a la repulsión mutua de las partículas, no a pesar de ello.

Pero esto sólo ocurriría en temperaturas muy frías y en condiciones de baja densidad.

En el nuevo experimento, el equipo colocó electrones entre dos láminas de grafeno, limpiadas exhaustivamente de imperfecciones del material.

Luego, enfriaron las muestras y les aplicaron un campo magnético perpendicular.

La intensidad del campo magnético más alta fue de 13,95 Tesla y la temperatura más baja fue de 210 milikelvin.

Poner los electrones en un campo magnético limita aún más su movimiento, aumentando las posibilidades de que cristalicen.

“Existe una repulsión inherente entre los electrones“, dijo Minhao He, investigador de la Universidad de Princeton y coautor del artículo, en el mismo comunicado.

“Quieren alejarse unos de otros, pero mientras tanto los electrones no pueden estar infinitamente separados debido a la densidad finita.

El resultado es que forman una estructura reticular regularizada y muy compacta, en la que cada uno de los electrones localizados ocupa una cierta cantidad de espacio”.

El equipo se sorprendió de que el cristal de Wigner permaneciera estable en un rango más largo de lo esperado.

Sin embargo, a densidades más altas, la fase cristalina dio paso a un líquido de electrones.

A continuación, los investigadores esperan obtener imágenes de cómo la fase del cristal de Wigner da paso a otras fases de electrones bajo un campo magnético.

Fuente: Nature