En 1934, Eugene Wigner propuso una estructura parecida a un cristal formada por electrones. La llamamos cristal de electrones o cristal de Wigner. Wigner calculó -previendo el mundo práctico- que cuando las fuerzas de repulsión de los electrones dominan y superan su energía cinética, se forman estructuras parecidas a cristales.

Desde que Wigner lo propuso, los científicos de todo el mundo han intentado crear dicho cristal, es algo pruebas de la creación experimental Sin embargo, el nuevo trabajo hace algo diferente. No sólo hay que crear, sino también observar los cristales. Así, los científicos tienen que buscar la forma más estable. En un nuevo estudio publicado en la revista Naturaleza Los científicos buscan exactamente eso.

Dificultad en un cristal de electrones

Vale, eso es muy fácil de decir, pero pongamos en perspectiva algo de la dificultad de crear cristales de Wigner. Los electrones son muy energéticos. Alrededor de un átomo, por ejemplo, se mueven de forma alocada. ¿Sabes esos niños que no pueden parar, por mucho que sus padres les llamen la atención? Un electrón es exactamente así, con la diferencia de que es mucho más difícil pararlo.

Por eso, la repulsión de Coulomb debe superar la energía cinética. Imaginemos. Un cristal es una estructura en la que los átomos están dispuestos en estructuras estáticas, es decir, estacionarias y organizadas. Pero estas dos palabras no existen en el mundo de los electrones. Si conseguimos suficientes electrones, y suprimimos la energía cinética, al repelerse unos a otros, los electrones se unirán, y se organizarán por fuerzas.

"Los electrones son mecánica cuántica. Aunque no se haga nada con ellos, se mueven espontáneamente todo el tiempo", dice en un comunicado Kin Fai Mak, profesor asociado de la Universidad de Cornell. "Un cristal de electrones tendería en realidad a deshacerse, porque es muy difícil mantener los electrones fijos en un patrón periódico".

"Hay que conseguir las condiciones adecuadas para crear un cristal de electrones y, al mismo tiempo, también son frágiles", explica Mak, y añade: "Se necesita una buena forma de sondearlos, no se quiere perturbarlos significativamente al sondearlos".

Superar los retos

Después de romperse la cabeza, los científicos encontraron una posible solución al problema: electrones dispuestos de forma apilada y bidimensional. Y esto es considerablemente sencillo si se apilan placas superconductoras bidimensionales. Al hacerlo, se crea una estructura tridimensional. Los científicos utilizaron placas de disulfuro de tungsteno (WS2) y diselenuro de tungsteno (WSe2).

(Xu et al., Nature, 2020).

Con las placas superpuestas, los científicos han creado un patrón hexagonal con esas formas más bien psicodélicas del efecto moiré. Es por algunos efectos con este patrón que los científicos atrapan los electrones en su lugar, como descubrieron en un estudio hace unos meses.

A continuación, el físico Veit Elser, coautor del estudio, calculó las distintas disposiciones posibles de los electrones que forman los cristales más diversos. Para ello, calculó la relación de ocupación necesaria para que se forme una estructura cristalina de forma automática, sólo por efecto del aumento de la fuerza de repulsión, o la disminución de la energía cinética.

La siguiente dificultad del trabajo sería observar sin interferir con los electrones. Para ello, acercaron un sensor óptico a un nanómetro de distancia, con una capa de nitruro de boro hexagonal, fabricada por científicos japoneses, que separaba las placas superconductoras del sensor. De este modo, el sensor se acercaba lo suficiente para observar, pero no para interferir.

Los científicos observaron entonces varios cristales de electrones. Además, no todos los cristales se formaron igual, sino que se formaron varias estructuras diferentes, desde estructuras triangulares hasta líneas y estructuras cristalinas denominadas dímeros. El trabajo, además de aportar una prometedora observación de algo que antes sólo era hipotético, aporta nuevas soluciones a los experimentos cuánticosrelacionados con la manipulación de los electrones, así como aplicaciones que los científicos aún no han imaginado

El estudio científico se publicó en la revista Nature. Con información de Science Alert y la Universidad de Cornell.