En 1934, el físico teórico Eugene Wigner propuso una nuevo tipo de cristal. Si fuera posible mantener la densidad de electrones cargadas negativamente por debajo de cierto nivel, las partículas subatómicas podrían mantenerse en un patrón repetitivo para crear un cristal de electrones. Ese Cristal se hizo conocido como cristal Wigner.

Sin embargo, los electrones están inquietos y detenerlos es extremadamente difícil. Pero ahora, después de 86 años de la propuesta de Wigner, un equipo de físicos ha logrado hacer esto, atrapándolos entre un par de capas de semiconductores de tungsteno bidimensionales. Los resultados fueron publicados en la revista Naturaleza.

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Cristales comunes, como cuarzo o Diamante, están formados por una red de átomos dispuestos en una estructura de cuadrícula repetitiva tridimensional fija. Según la idea de Wigner, los electrones podrían organizarse de manera similar para formar un cristal sólido, pero solo si estuvieran estacionarios.

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La estructura de cristal común es tridimensional fija, a diferencia de los cristales de electrones. Imagen: Dids / Pexels

Si la densidad de los electrones es lo suficientemente baja, la repulsión de Coulomb entre electrones de la misma carga produce energía potencial que debe dominar su energía cinética, haciendo que se detengan. Ésta es la parte difícil del proceso.

“Los electrones son la mecánica cuántica. Incluso si no haces nada con ellos, se mueven espontáneamente todo el tiempo ", dijo el físico Kin Fai Mak, de la Universidad de Cornell. "Un cristal de electrones en realidad tendría una tendencia a fundirse porque es muy difícil mantener los electrones fijos en un patrón periódico".

Por lo tanto, para crear cristales de Wigner se necesitan algunas trampas de electrones, como fuertes campos magnéticos, pero la cristalización completa eludió a los físicos. En 2018, los investigadores del MIT que intentaron crear un tipo de aislante pueden haber accidentalmente creó un cristal Wigner, pero sus resultados dejaron espacio para la interpretación.

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Diseño de una superred de moiré. Imagen: Departamento de Física de UCSD

La trampa del MIT era una estructura de grafeno conocida como superred moiré, donde dos cuadrículas bidimensionales se superponen con un ligero giro y emergen patrones regulares más grandes, como en la imagen de arriba.

Ahora, el equipo de Cornell, dirigido por el físico Yang Xu, ha adoptado un enfoque más específico con su propia superred muaré. Utilizaron disulfuro de tungsteno (WS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2), cultivados en la Universidad de Columbia, como capas semiconductoras.

Cuando se superponen, estas capas producen un patrón hexagonal, lo que permite al equipo controlar la ocupación promedio de electrones en cualquier ubicación específica. El siguiente paso fue colocar los electrones con cuidado en ciertos lugares de la red, utilizando cálculos para determinar la tasa de ocupación a la que diferentes arreglos formarán cristales.

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Estados de aislamiento en la superrejilla donde se colocan los electrones. Imagen: Xu et al., Nature, 2020

El desafío final fue cómo ver realmente si sus predicciones eran correctas mirando (o no) los cristales de Wigner. "Es necesario lograr las condiciones adecuadas para crear un cristal de electrones y, al mismo tiempo, también son frágiles", explicó Mak. “Necesitas una buena forma de probarlos. Realmente no quieres molestarlos significativamente al sondearlos ".

Para resolver este problema, el equipo utilizó capas aislantes de nitruro de boro hexagonal. Se colocó un sensor óptico muy cerca de la muestra, pero sin tocarla, a solo un nanómetro de distancia, separado por una capa de nitruro de boro. Esto permitió una alta sensibilidad de detección, pero evitó el acoplamiento eléctrico entre el sensor y la muestra.

Dentro de la superred muaré, los investigadores encontraron electrones organizados en una variedad de configuraciones cristalinas, incluidos cristales Wigner triangulares, fases de banda y dímeros. Además de las implicaciones para el estudio de los cristales de electrones, este logro demuestra el potencial sin explotar del muaré. física cuántica.

Vía: Alerta de la ciencia