Desde hace más de un siglo, los electrones siguen 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 tanto como sea posible. Esto es evidente en el universo, donde abundan estas diminutas partículas, conocidas por su movimiento errático alrededor de los átomos.
La repulsión entre electrones genera un orden similar al de la atracción
Aún así, en la década de 1930, el físico teórico Eugene Wigner propuso una teoría revolucionaria. Sugirió que, en 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 peculiar forma 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 han sido publicados en la revista Naturaleza.
“El cristal de Wigner es una de las fases cuánticas de la materia más fascinantes jamás predichas y es objeto de numerosos estudios que afirman haber encontrado, en el mejor de los casos, evidencia indirecta de su formación”, explicó Al Yazdani, físico de la Universidad de Princeton. “Visualizar este cristal nos permite no sólo observar su formación, confirmando muchas de sus propiedades, sino que también podemos estudiarlo de maneras que no se podían hacer en el pasado”, añadió.
Punto de equilibrio de la densidad electrónica
El cristal de Wigner se caracteriza por un particular equilibrio en la densidad electrónica. Si la densidad es demasiado baja, los electrones tienden a repelerse y dispersarse; Si es demasiado alto, los electrones se acumulan y se forma un estado electrónico-líquido, informa Alerta científica.
Para observar directamente la formación de este cristal, el equipo utilizó un microscopio de efecto 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 de gas de electrones bidimensional dentro de las capas de grafeno. Al ajustar la densidad electrónica, los investigadores observaron cómo los electrones se organizaban espontáneamente en una estructura reticular ordenada.
Evidencia indirecta del cristal Wigner
Estos experimentos han proporcionado evidencia directa de la existencia del cristal de Wigner, algo que las pruebas indirectas anteriores no habían podido demostrar de manera concluyente. Experimentos anteriores, que se remontan a la década de 1970 en los Laboratorios Bell de Nueva Jersey, habían detectado un comportamiento cristalino cuando se pulverizaban electrones sobre helio, pero no se ajustaban plenamente a las leyes de la física cuántica.
Por lo tanto, esta investigación demuestra que un verdadero cristal de Wigner sigue las leyes de la física cuántica, donde los electrones unidos 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 túneles cuánticos, que permitió visualizar los mundos atómico y subatómico con una claridad sin precedentes. La precisión de las muestras y la tecnología utilizada confirmaron que no había imperfecciones atómicas en la red atómica del grafeno.
“Nuestro grupo ha podido producir muestras de una limpieza sin precedentes que han hecho posible este trabajo”, dijo Yazdani. “Con nuestro microscopio podemos confirmar que las muestras no presentan imperfecciones atómicas en la red atómica del grafeno ni átomos extraños en su superficie en regiones con cientos de miles de átomos”, añadió.
“Movimiento de punto cero” de los electrones
Este estudio no sólo confirmó la ausencia de imperfecciones atómicas en las muestras de grafeno, sino que también permitió observar el “movimiento del 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 están descritas por una curva de probabilidad que cubre varias ubicaciones posibles. Este fenómeno se conoce como “movimiento de punto cero” de los electrones, llamado así porque ocurre sin necesidad de altas energías. Este movimiento produce una especie de borrosidad en la ubicación de los electrones dentro del cristal cuando son observados.
El grupo de investigadores logró cuantificar este efecto de dithering y Yazdani afirmó: “Descubrimos que este comportamiento cuántico extiende su alcance hasta un tercio de la distancia entre los electrones, lo que convierte al cristal de Wigner en un tipo único de cristal cuántico”.
La Universidad de Princeton y el equipo liderado por Yazdani continúan analizando el cristal de Wigner, estudiando su proceso de fusión y su posible transición a otras exóticas fases líquidas de electrones que interactúan en un campo magnético, esperando capturar imágenes de estas fases con la misma claridad con la que He visualizado el cristal Wigner.
Felipe Espinosa Wang con información de la Universidad de Princeton, Interesting Engineering and Science Alert.
