El descubrimiento inequívoco de un cristal de Wigner se basó en una técnica novedosa para sondear el interior de materiales complejos.
por Karmela Padavic-Callaghan
En 1934, Eugene Wigner, un pionero de la mecánica cuántica, teorizó un extraño tipo de materia: un cristal hecho de electrones. La idea era sencilla; demostrando que no lo era. Los físicos probaron muchos trucos durante ocho décadas para empujar a los electrones a formar estos llamados cristales de Wigner, con un éxito limitado. En junio, sin embargo, dos grupos independientes de físicos informaron en Nature de las observaciones experimentales más directas de los cristales de Wigner hasta el momento.
“La cristalización de Wigner es una idea tan antigua”, dijo Brian Skinner , físico de la Universidad Estatal de Ohio que no participó en el trabajo. “Verlo con tanta claridad fue realmente agradable”.
Para hacer que los electrones formen un cristal Wigner, podría parecer que un físico simplemente tendría que enfriarlos. Los electrones se repelen entre sí, por lo que el enfriamiento disminuiría su energía y los congelaría en una red, al igual que el agua se convierte en hielo. Sin embargo, los electrones fríos obedecen las extrañas leyes de la mecánica cuántica: se comportan como ondas. En lugar de fijarse en su lugar en una cuadrícula perfectamente ordenada, los electrones en forma de ondas tienden a chapotear y chocar contra sus vecinos. Lo que debería ser un cristal se convierte en algo más parecido a un charco.
Uno de los equipos responsables del nuevo trabajo encontró un cristal Wigner casi por accidente. Los investigadores de un grupo dirigido por Hongkun Park en la Universidad de Harvard estaban experimentando con el comportamiento de los electrones en un “sándwich” de láminas excepcionalmente delgadas de un semiconductor separadas por un material a través del cual los electrones no podían moverse. Los físicos enfriaron este sándwich de semiconductores por debajo de -230 grados Celsius y jugaron con la cantidad de electrones en cada una de las capas.
El equipo observó que cuando había un número específico de electrones en cada capa, todos permanecían misteriosamente quietos. “De alguna manera, los electrones dentro de los semiconductores no podían moverse. Este fue un hallazgo realmente sorprendente ”, dijo You Zhou , autor principal del nuevo estudio.
Zhou compartió sus resultados con colegas teóricos, quienes finalmente recordaron una vieja idea de Wigner. Wigner había calculado que los electrones en un material plano bidimensional asumirían un patrón similar a un piso perfectamente cubierto con baldosas triangulares. Este cristal evitaría que los electrones se movieran por completo.
En el cristal de Zhou, las fuerzas repulsivas entre los electrones en cada capa y entre las capas trabajaron juntas para organizar los electrones en la rejilla triangular de Wigner. Estas fuerzas fueron lo suficientemente fuertes como para evitar que los electrones se derramen y se derramen pronosticados por la mecánica cuántica. Pero este comportamiento ocurrió solo cuando la cantidad de electrones en cada capa fue tal que las rejillas de cristal superior e inferior se alinearon: los triángulos más pequeños en una capa tenían que llenar exactamente el espacio dentro de los más grandes en la otra. Park llamó a las proporciones de electrones que llevaron a estas condiciones los “signos reveladores de los cristales de Wigner bicapa”.
Después de darse cuenta de que tenían un cristal Wigner en sus manos, el equipo de Harvard lo derritió obligando a los electrones a adoptar su naturaleza de onda cuántica. La fusión de cristales de Wigner es una transición de fase cuántica, una que es similar a un cubo de hielo que se convierte en agua, pero sin ningún calentamiento involucrado. Los teóricos predijeron previamente las condiciones necesarias para que ocurra el proceso, pero el nuevo experimento es el primero en confirmarlo a través de mediciones directas. “Fue realmente emocionante ver lo que realmente aprendimos de los libros de texto y los artículos en datos experimentales”, dijo Park.
Experimentos anteriores encontraron indicios de cristalización de Wigner, pero los nuevos estudios ofrecen la evidencia más directa debido a una nueva técnica experimental. Los investigadores volaron las capas de semiconductores con luz láser para crear una entidad similar a una partícula llamada excitón. El material luego reflejaría o volvería a emitir esa luz. Al analizar la luz, los investigadores pudieron determinar si los excitones habían interactuado con electrones ordinarios de flujo libre o con electrones congelados en un cristal de Wigner. “De hecho, tenemos evidencia directa de un cristal Wigner”, dijo Park. “De hecho, puedes ver que es un cristal que tiene esta estructura triangular”.
El segundo equipo de investigación, dirigido por Ataç Imamoğlu en el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Zúrich, también utilizó esta técnica para observar la formación de un cristal Wigner.
El nuevo trabajo ilumina el infame problema de muchos electrones que interactúan. Cuando se colocan muchos electrones en un espacio pequeño, todos se empujan entre sí y resulta imposible realizar un seguimiento de todas las fuerzas entrelazadas entre sí.
Philip Phillips, físico de la Universidad de Illinois, Urbana-Champaign, que no participó en el experimento, describió los cristales de Wigner como un arquetipo de todos estos sistemas. Señaló que el único problema que involucra electrones y fuerzas eléctricas que los físicos saben cómo resolver con solo lápiz y papel es el de un solo electrón en el átomo de hidrógeno. En átomos con incluso un electrón más, el problema de predecir lo que harán los electrones que interactúan se vuelve intratable. El problema de la interacción de muchos electrones se ha considerado durante mucho tiempo como uno de los más difíciles de la física.
En el futuro, el equipo de Harvard planea usar su sistema para responder preguntas pendientes sobre los cristales de Wigner y los electrones fuertemente correlacionados. Una pregunta abierta es qué sucede, exactamente, cuando el cristal Wigner se derrite; abundan las teorías en competencia. Además, el equipo observó cristales de Wigner en su sándwich de semiconductores a temperaturas más altas y para un mayor número de electrones de lo que predijeron los teóricos. Investigar por qué este fue el caso podría conducir a nuevos conocimientos sobre el comportamiento de los electrones fuertemente correlacionado.
Eugene Demler , un teórico de Harvard que contribuyó a ambos nuevos estudios, cree que el trabajo resolverá viejos debates teóricos e inspirará nuevas preguntas. “Siempre es mucho más fácil trabajar en un problema cuando puedes buscar las respuestas al final de un libro”, dijo. “Y tener experimentos adicionales es como buscar la respuesta”.