Físicos captan un misterioso cristal después de 90 años

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En 1934 el físico teórico Eugene Wigner sugirió que los electrones libres podrían juntarse mediante presiones externas para formar un tipo especial de materia en la que no hubiera átomos, sino electrones atrapados por su propia repulsión en una ordenada red cristalina. Este tipo de materia se conoce como cristal de Wigner y los físicos han obtenido por fin pruebas observacionales directas de que puede existir.

Un cristal es la forma en que los átomos se disponen en un sólido. En los materiales cristalinos típicos, los átomos están unidos de tal manera que forman un patrón repetitivo en el espacio. El trabajo pionero de Wigner sugería que los electrones podían formar tales estructuras, ayudados, en vez de obstaculizados, por la repulsión mutua creada por la carga negativa que llevan todos los electrones.

En su opinión, a temperaturas y densidades muy bajas, la interacción repulsiva entre electrones debería hacer que su energía potencial dominara su necesidad de moverse, lo que llevaría a la formación de redes cristalinas.

Estos cristales no se comportarían según la física clásica, sino según la mecánica cuántica, y los electrones ligados no se comportarían como partículas discretas, sino como ondas individuales.

Varios experimentos con sistemas bidimensionales para descubrir los resultados de este comportamiento han proporcionado pruebas indirectas de la existencia de los cristales de Wigner, pero las pruebas directas han resultado un poco más difíciles de encontrar.

Dadas las deficiencias de estos experimentos, un equipo dirigido por los físicos Yen-Chen Tsui, Minhao He y Yuwen Hu, de la Universidad de Princeton, diseñó un experimento con el que esperaban resolver los problemas anteriores y detectar el cristal.

Utilizaron campos magnéticos para inducir un cristal de electrones de Wigner en el grafeno, pero no en un grafeno cualquiera. El material tenía que ser lo más puro posible para eliminar cualquier efecto que pudieran causar las imperfecciones atómicas.

Tsui destaca que el experimento permite obtener imágenes del sistema modificando el número de electrones por unidad de superficie. Simplemente cambiando la densidad, se puede iniciar esta transición de fase y descubrir que los electrones se forman espontáneamente en un cristal ordenado.

Las mediciones también confirmaron los modelos que describen la red como triangular cuando está confinada en un espacio bidimensional, pero descubrieron que puede permanecer estable cuando la densidad cambia en un grado bastante grande, lo que contradice las teorías anteriores según las cuales el rango de densidad debería ser muy pequeño. También descubrieron que los electrones no ocupan un único punto en la red, sino una gama borrosa de posiciones descrita como movimiento de punto cero.

Los resultados se publicaron en la revista Nature.

NA