Un cristal hecho de electrones

Unos científicos han producido un cristal muy especial. A diferencia de los cristales normales, está formado exclusivamente por electrones. Al hacerlo, han corroborado una predicción teórica que se hizo en 1934.

El experimento en el que se ha generado tan singular cristal lo ha llevado a cabo un equipo que incluye, entre otros, a Tomasz Smolenski y Atac Imamoglu, ambos del Instituto de Electrónica Cuántica dependiente del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich (ETH).

En 1934, Eugene Wigner, uno de los fundadores de la teoría de las simetrías en la mecánica cuántica, demostró de manera teórica que los electrones de un material podían organizarse en patrones regulares, análogos a los de un cristal convencional, debido a su repulsión eléctrica mutua. El razonamiento es muy sencillo: si la energía de la repulsión eléctrica entre los electrones es mayor que su energía de movimiento, se organizarán de forma que su energía total sea la menor 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 temperaturas bajísimas y una cantidad muy pequeña de electrones libres en el material. Esto se debe, en parte, a que los electrones son muchos 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 debida a la interacción entre los electrones.

Para superar estos obstáculos, Imamoglu y sus colaboradores eligieron para esta nueva demostración una capa delgada del material semiconductor diseleniuro de molibdeno. La capa es tan delgada que solo tiene un átomo de espesor. Debido a ello, los electrones solo pueden moverse en un plano.

Representación gráfica de un cristal de Wigner (en rojo), hecho de electrones, en un material semiconductor (azul / gris) con un átomo de espesor. (Imagen: ETH Zurich)

Los investigadores consiguieron variar la cantidad de electrones libres aplicando un voltaje a dos electrodos transparentes de grafeno, entre los que habían intercalado el semiconductor.

El montaje experimental fue enfriado hasta tan solo unos pocos grados centígrados por encima del Cero Absoluto. Esta última es la temperatura más baja que permiten las leyes de la física y es de unos 273 grados centígrados bajo cero.

La baja temperatura y las propiedades eléctricas del diseleniuro de molibdeno provocaron finalmente la formación de un cristal de Wigner.

La presencia de esta estructura fue verificada mediante varias técnicas.

Los investigadores han publicado los detalles de su experimento en la revista académica Nature, con el título “Signatures of Wigner crystal of electrons in a monolayer semiconductor”. (Fuente: NCYT de Amazings)