Por primera vez, se ha observado directamente un cristal de Wigner, un material compuesto solo por electrones. Aunque previamente teorizado, nunca se había confirmado visualmente hasta ahora.
Desde hace más de un siglo, los electrones continúan sorprendiendo a la comunidad científica con su comportamiento esquivo y fascinante. Normalmente, los electrones orbitan alrededor de los núcleos atómicos debido a la atracción de los protones. Sin embargo, en ausencia de protones, los electrones tienden a repelerse y dispersarse lo máximo posible. Esto es evidente en el universo, donde abundan estas diminutas partículas, conocidas por su movimiento errático alrededor de los átomos.
Repulsión entre electrones genera orden similar al de la atracción
Aun así, en los años 30, el físico teórico Eugene Wigner propuso una teoría revolucionaria. Sugirió que, bajo condiciones de temperaturas y densidades extremadamente bajas, la repulsión entre electrones podría organizarse de tal manera que formaran una estructura reticular regular. Este fenómeno daría lugar a una forma peculiar de materia conocida como cristal de Wigner, compuesta por electrones en una red cristalina, unidos no por atracción sino por su repulsión mutua.
Ahora, después de casi noventa años de eludir la detección directa, un equipo de físicos de la Universidad de Princeton ha logrado visualizar por primera vez este esquivo cristal de Wigner, «la extraña forma de materia que constituye una de las fases cuánticas más importantes», según un comunicado de la institución. Los resultados de esta investigación se han publicado en la revista Nature.
«El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes que se han predicho y objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, pruebas indirectas de su formación», explicó Al Yazdani, físico de la Universidad de Princeton. «Visualizar este cristal nos permite no solo observar su formación, confirmando muchas de sus propiedades, sino que también podemos estudiarlo de formas que no se podían hacer en el pasado», agregó.
Punto de equilibrio de densidad de electrones
El cristal de Wigner se caracteriza por un equilibrio particular en la densidad de electrones. Si la densidad es demasiado baja, los electrones tienden a repelerse y dispersarse; si es demasiado alta, los electrones se acumulan, formando un estado líquido de electrones, informa Science Alert.
Para observar directamente la formación de este cristal, el equipo utilizó un microscopio de barrido en túnel (STM) y muestras prístinas de grafeno. Las muestras se enfriaron a temperaturas extremadamente bajas y se aplicó un campo magnético para establecer un sistema bidimensional de gas de electrones dentro de las capas de grafeno. Al ajustar la densidad de electrones, los investigadores observaron cómo los electrones se organizaban espontáneamente en una estructura reticular ordenada.
Pruebas indirectas del cristal de Wigner
Estos experimentos han proporcionado pruebas directas de la existencia del cristal de Wigner, algo que las pruebas indirectas anteriores no habían logrado demostrar de forma concluyente. Experimentos anteriores, que se remontan a la década de 1970 en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, habían detectado un comportamiento cristalino al pulverizar electrones sobre helio, pero no se ajustaban plenamente a las leyes de la física cuántica.
Así, esta investigación demuestra que un verdadero cristal de Wigner sigue las leyes de la física cuántica, donde los electrones ligados no se comportan como partículas discretas, sino como una onda individual, en lugar de las leyes físicas clásicas familiares del mundo cotidiano.
Por ello, este estudio marcó un hito al utilizar un dispositivo basado en la tunelización cuántica, lo que permitió visualizar los mundos atómico y subatómico con una claridad sin precedentes. La precisión de las muestras y la tecnología empleada confirmaron que no había imperfecciones atómicas en la red atómica del grafeno.
«Nuestro grupo ha sido capaz de fabricar muestras de una limpieza sin precedentes que han hecho posible este trabajo», dijo Yazdani. «Con nuestro microscopio podemos confirmar que las muestras no presentan ninguna imperfección atómica en la red atómica del grafeno ni átomos extraños en su superficie en regiones con cientos de miles de átomos», agregó.
«Movimiento de punto cero» de los electrones
Este estudio no solo confirmó la ausencia de imperfecciones atómicas en las muestras de grafeno, sino que también permitió observar el «movimiento de punto cero» de los electrones.
Uno de los principios fundamentales de la mecánica cuántica es que las partículas subatómicas, como los electrones, no tienen una posición fija, sino que se describen mediante una curva de probabilidad que abarca diversos lugares posibles. Este fenómeno se conoce como el «movimiento de punto cero» de los electrones, denominado así porque ocurre sin la necesidad de energías elevadas. Este movimiento produce una especie de borrosidad en la localización de los electrones dentro del cristal al ser observados.
El grupo de investigadores logró cuantificar este efecto de difuminado, y Yazdani declaró: «Descubrimos que este comportamiento cuántico extiende su alcance a un tercio de la distancia entre los electrones, convirtiendo así al cristal de Wigner en un tipo único de cristal cuántico».
La Universidad de Princeton y el equipo dirigido por Yazdani continúan analizando el cristal de Wigner, estudiando su proceso de fusión y su posible transición a otras fases líquidas exóticas de electrones que interactúan en un campo magnético, esperando capturar imágenes de estas fases con la misma claridad con la que han visualizado el cristal de Wigner.
Felipe Espinosa Wang con información de la Universidad de Princeton, Interesting Engineering y Science Alert