Investigadores de ETH Zurich han logrado observar un cristal que consta solo de electrones. Teorizados hace noventa años, sólo ahora han podido ser observados directamente en un material semiconductor.
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 Atac Imamoglu, 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 se publicaron recientemente en la revista científica Nature.
“Lo que nos entusiasmó con 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 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.
Para superar esos obstáculos, Imamoglu y sus colaboradores eligieron una capa fina como una oblea del material semiconductor 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 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, producir un cristal Wigner no es suficiente. “El siguiente problema fue demostrar que en realidad teníamos cristales de Wigner en nuestro aparato”, dice en un comunicado Tomasz Smolenski, quien es el autor principal de la publicación y trabaja como postdoctorado en el laboratorio de Imamoglu. 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.
Usando un truco, los físicos lograron hacer visible la disposición regular de los electrones a pesar de esa pequeña separación en la red cristalina. Para hacerlo, 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 de luz precisa 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, con un cristal de Wigner, por ejemplo.
La disposición periódica de los electrones en el cristal da lugar a 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 tiempo los radios de la rueda espaciados regularmente se han movido exactamente a la distancia entre los radios, la rueda parece no girar más. 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 los electrones en la red cristalina.
“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 debería aparecer ese efecto en las frecuencias de excitación observadas de los excitones, y eso es exactamente lo que observamos en el laboratorio”, dice Imamoglu.
En contraste con experimentos previos basados en semiconductores planos, en los que los cristales de Wigner se observaron indirectamente a través de mediciones de corriente, esto 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 investigar exactamente cómo se forman los cristales de Wigner a partir de un “líquido” desordenado de electrones.
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