Cristal de electrones: Nuevo logro experimental de la física cuántica

Los electrones nunca están quietos el tiempo suficiente como para mantenerlos en una posición fija. A pesar de esto, un equipo de científicos ha desarrollado una forma de fijar electrones en un patrón repetitivo a través de semiconductores bidimensionales. La consecuencia es un cristal de electrones que anteriormente solo se había hipotetizado.

El estudio, liderado por el investigador postdoctoral Yang Xu, fue publicado en Nature.

Los cristales de electrones fueron predichos por primera vez en 1934 por el físico teórico Eugene Wigner. Él propuso que cuando la repulsión que resulta de los electrones cargados negativamente, llamada repulsión de Coulomb, domina la energía cinética de los electrones, se formaría un cristal.

Los científicos han probado varios métodos para suprimir esa energía cinética, como poner electrones bajo un campo magnético extremadamente grande, aproximadamente un millón de veces el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, ninguna funcionó bien; la razón es que la cristalización de electrones es muy difícil de alcanzar.

«Los electrones pertenecen a la mecánica cuántica. Incluso si no les haces nada, se mueven espontáneamente todo el tiempo», dijo Kin Fai Mak, coautor del estudio. «Un cristal de electrones en realidad tendría la tendencia a disolverse porque es muy difícil mantener los electrones fijos en un patrón periódico«.

Afortunadamente, el equipo encontró una solución: construir una trampa apilando dos monocapas de semiconductores: el disulfuro de tungsteno (WS2) y el diselenuro de tungsteno (WSe2).

Cada monocapa tiene un parámetro de red ligeramente diferente. Cuando estos se combinan, crean una estructura de superrejilla que parece una cuadrícula hexagonal. Luego, se colocan electrones en lugares específicos del patrón. La consecuencia es que estos se mantienen fijos.

La dificultad nace cuando, además de crearlos, necesitamos observar estos patrones.

«Es necesario alcanzar las condiciones adecuadas para crear un cristal de electrones pero el problema es que al mismo tiempo, también son frágiles», dijo Mak. «Se necesita una buena forma de observarlos. La intención es no perturbarlos significativamente mientras se los investiga«.

En ese sentido, los investigadores idearon una nueva técnica de detección en la que se coloca un sensor óptico cerca de la muestra con el objetivo de no perturbar el sistema. Esta nueva técnica permitió observar numerosos cristales de electrones con diferentes simetrías. Al hacerlo, los investigadores pudieron demostrar cómo piezas muy simples pueden formar patrones muy complejos. Lo único necesario es que permanezcan quietos lo suficiente.

Este logro no solo tiene implicaciones para el estudio de los cristales de electrones. Los hallazgos demuestran el potencial sin explotar de algunas áreas de la física cuántica.

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