Los cristales han fascinado a la gente a lo largo de los siglos. ¿Quién no ha admirado los complejos 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 resulta de una simple interacción de atracción y repulsión entre átomos y electrones. Un equipo de investigadores dirigido por Ataç Imamoğlu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica en ETH Zurich, ha producido ahora un cristal muy especial. A diferencia de los cristales normales, se compone exclusivamente de electrones. Al hacerlo, han confirmado una predicción teórica que se hizo hace casi noventa años y que desde entonces se ha considerado como una especie de santo grial de la física de la materia condensada. Sus resultados fueron publicados recientemente en la revista científica "Nature".
Una predicción de décadas
“Lo que nos entusiasmó con este problema es su simplicidad”, dice Imamoğlu. Ya en 1934, Eugene Wigner, uno de los fundadores de la teoría de las simetrías en la mecánica cuántica, demostró que los electrones de un material teóricamente podían organizarse en patrones regulares, similares a cristales, debido a su repulsión eléctrica mutua. El razonamiento detrás de esto es bastante simple: si la energía de la repulsión eléctrica entre los electrones es mayor que su energía de movimiento, se ordenarán de tal manera que su energía total sea lo más pequeña posible.
Sin embargo, durante varias décadas, esta predicción siguió siendo puramente teórica, ya que esos "cristales de Wigner" solo pueden formarse en condiciones extremas, como bajas temperaturas y una cantidad muy pequeña de 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 de movimiento en una disposición regular suele ser mucho mayor que la energía electrostática debido a la interacción entre los electrones.
Electrones en un plano
Para superar esos obstáculos, Imamoğlu y sus colaboradores eligieron una capa fina como una oblea del material semiconductor diselenuro de molibdeno que tiene un solo átomo de espesor y en la que, por lo tanto, los electrones solo pueden moverse en un plano. Los investigadores pudieron variar la cantidad de electrones libres aplicando un voltaje a dos electrodos de grafeno transparentes, entre los cuales se intercala el semiconductor. Según consideraciones teóricas, las propiedades eléctricas del diselenuro de molibdeno deberían favorecer la formación de un cristal de Wigner, siempre que todo el aparato se enfríe unos pocos grados por encima del cero absoluto de menos 273,15 grados Celsius.
Sin embargo, no basta con producir un cristal Wigner. “El siguiente problema fue demostrar que realmente teníamos cristales de Wigner en nuestro aparato”, dice Tomasz Smoleński, quien es el autor principal de la publicación y trabaja como postdoctorado en el laboratorio de Imamoğlu. Se calculó que la separación entre los electrones era de alrededor de 20 nanómetros, o aproximadamente treinta veces más pequeña que la longitud de onda de la luz visible y, por lo tanto, imposible de resolver incluso con los mejores microscopios.
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