Un cristal hecho de electrones.

Los cristales han fascinado a las personas a lo largo de los siglos. ¿Quién no ha admirado en un momento dado las complejas texturas de un copo de nieve, o las superficies perfectamente simétricas de un cristal de roca? La magia no cesa aunque se sepa que todo esto deriva de un simple juego de atracción y repulsión entre átomos y electrones. Un equipo de investigadores dirigido por Atac Imamoglu, profesor del Instituto de Electrónica Cuántica ETH de Zúrich, ha producido ahora un cristal muy especial. A diferencia de los cristales normales, está formado exclusivamente por electrones. Al hacerlo, confirmaron una predicción teórica hecha hace casi noventa años y que desde entonces se ha considerado 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 de este problema es su simplicidad», dice Imamoglu. Ya en 1934, Eugene Wigner, uno de los fundadores de la teoría de las simetrías en la mecánica cuántica, demostró que los electrones en 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 se ha mantenido 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 al hecho de 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 electrones.

Electrones en un plano

Para superar estos obstáculos, Imamoglu y sus colaboradores han elegido una capa muy fina del material semiconductor de diselenuro de molibdeno que tiene solo un 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 inserta 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 a unos pocos grados por encima del cero absoluto en menos 273,15 grados Celsius.

Sin embargo, no basta con producir un cristal Wigner. «El siguiente problema fue demostrar que en realidad teníamos cristales de Wigner en nuestro aparato», dice Tomasz Smolenski, quien es el autor principal de la publicación y trabaja como postdoctorado en el laboratorio de Imamoglu. La separación entre los electrones se ha calculado en unos 20 nanómetros, que es unas treinta veces más corta que la longitud de onda de la luz visible y, por tanto, imposible de resolver incluso con los mejores microscopios.

Detección por excitones

Usando un truco, los físicos pudieron hacer visible la disposición regular de electrones a pesar de esa pequeña separación en la red cristalina. Para hacer esto, utilizaron luz de una frecuencia particular para excitar los llamados excitones en la capa semiconductora. Los excitones son pares de electrones y «huecos» que resultan de la falta de un electrón en un nivel de energía del material. La frecuencia precisa de la luz para la creación de tales excitones y la velocidad a la que se mueven dependen tanto de las propiedades del material como de la interacción con otros electrones en el material, por ejemplo, con un cristal de Wigner.

La disposición periódica de los electrones en el cristal produce un efecto que a veces se puede ver en la televisión. Cuando una bicicleta o un automóvil van cada vez más rápido, por encima de cierta velocidad, las ruedas parecen detenerse y luego girar en la dirección opuesta. Esto se debe a que la cámara toma una instantánea de la rueda cada 40 milisegundos. Si en ese momento los radios de la rueda espaciados regularmente se han movido exactamente a la distancia entre los radios, la rueda parece dejar de girar. De manera similar, en presencia de un cristal de Wigner, los excitones en movimiento parecen estacionarios siempre que se muevan a una cierta velocidad determinada por la separación de electrones en la red cristalina.

Primera observación directa

«Un grupo de físicos teóricos dirigido por Eugene Demler de la Universidad de Harvard, que se mudará a ETH este año, había calculado teóricamente cómo ese efecto debería manifestarse en las frecuencias de excitación observadas de los excitones, y eso es exactamente lo que hemos observado en el laboratorio. «, dice Imamoglu. A diferencia de experimentos anteriores basados ​​en semiconductores planos, en los que los cristales de Wigner se observaron indirectamente a través de mediciones de corriente, esta es una confirmación directa de la disposición regular de los electrones en el cristal. En el futuro, con su nuevo método, Imamoglu y sus colegas esperan estudiar exactamente cómo se forman los cristales de Wigner a partir de un «líquido» desordenado de electrones.

Referencia

Smolenski, T., Dolgirev, PE, Kuhlenkamp, ​​C. et al. Firmas de cristal de Wigner de electrones en un semiconductor monocapa. Nature 595, 53 – 57 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-03590-4