Detectan un cristal cuántico hecho de electrones y el derretimiento de este

Por primera vez, se ha conseguido observar un cristal de electrones muy ordenado en un material semiconductor, así como documentar su "derretimiento", un fenómeno comparable al de como el hielo se deshace en forma de agua. Estas observaciones confirman una transición fundamental de fase que fue propuesta de forma teórica en mecánica cuántica hace más de 80 años pero que no había sido documentada experimentalmente hasta ahora.

El equipo de Raymond Ashoori y Joonho Jang, del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT), en Cambridge, Estados Unidos, utilizó una técnica espectroscópica basada en el efecto de túnel cuántico de los electrones, un proceso de la mecánica cuántica gracias al cual los investigadores pueden inyectar electrones con energías concretas en un sistema de interés, en este caso, un sistema de electrones atrapado en dos dimensiones (en una superficie con el grosor de un átomo o poco más). El método utiliza cientos de miles de pulsos eléctricos cortos para sondear una lámina de electrones en un material semiconductor enfriado a temperaturas extremadamente bajas, apenas por encima del Cero Absoluto (unos 273 grados centígrados bajo cero).

Mediante su técnica basada en el efecto de túnel cuántico, los investigadores dispararon electrones contra el material superenfriado para medir los estados de energía de los electrones dentro de la lámina semiconductora. Detectaron así un pico agudo en los datos, que destacaba claramente sobre el "ruido" de fondo. Después de una serie minuciosa de análisis, determinaron que el pico era exactamente la señal que habría proporcionado un altamente ordenado cristal de electrones vibrando al unísono.

Los investigadores del MIT creen haber captado el proceso del derretimiento cuántico. (Imagen: Jose-Luis Olivares/MIT (imagen del cristal de Wigner cortesía de Arunas.rv/CC BY-SA 3.0))

A medida que el grupo de científicos incrementaba la densidad de los electrones, básicamente concentrándolos en una zona cada vez más reducida dentro de la lámina, hallaron que el pico de señales se disparaba hacia energías más elevadas, para después desaparecer por completo, exactamente al alcanzar la densidad de electrones a la cual se había predicho que se derretiría un cristal de electrones.

Los investigadores creen que han captado el proceso del derretimiento cuántico, una transición de fase en mecánica cuántica en la cual los electrones que han formado una estructura cristalina puramente a través de sus interacciones cuánticas, se derriten formando un fluido más desordenado, en respuesta a fluctuaciones cuánticas respecto a su densidad.

Información adicional