Un fenómeno que antes solo existía en ecuaciones ahora se hace observable en el mundo real.

En una nueva investigación revisada por pares, físicos de la Universidad de Princeton han confirmado que los electrones no necesitan átomos para reunirse en patrones ordenados. Utilizando campos magnéticos, lograron inducir y detectar cristales de Wigner, que son formaciones ordenadas de electrones. Aunque parece una fiesta, esta adhesión se crea mediante el entrelazamiento y la repulsión mutua, algo así como un “Día de Acción de Gracias” de electrones.

Para crear y examinar una estructura de cristal de Wigner, los científicos usaron un campo magnético potente alrededor de una muestra preparada de grafeno. El grafeno es una disposición de átomos de carbono en una estructura regular de un solo átomo de espesor, lo que le confiere propiedades que lo hacen una herramienta altamente valorada en el estudio de fenómenos microscópicos y cuánticos. Puede ser plano, enrollado en tubos, envuelto alrededor de cosas y, en este caso, dispuesto en una doble capa. Cuando se aplicó el campo magnético, los cuatro electrones de cada átomo de carbono se pusieron en juego y formaron cristales de Wigner en forma triangular.

¿Por qué sucede esto? Según los investigadores, “Wigner predijo que cuando las interacciones de Coulomb entre electrones se vuelven mucho más fuertes que su energía cinética, los electrones se cristalizan en una red compacta”. Las interacciones de Coulomb son fundamentales en el estudio de la electromagnetismo y también se llaman fuerza electrostática. Son la razón por la cual los mismos polos de los imanes se repelen, y en este caso, los electrones con la misma carga se repelen entre sí.

Cuando los electrones están atrapados muy estrechamente dentro de un campo magnético del que no pueden escapar, es como una prensa de autos en un depósito de chatarra. Los electrones quieren desesperadamente escapar unos de otros, pero están empaquetados tan densamente que no tienen a dónde ir. Así que lo mejor que pueden hacer es espaciarse lo más que puedan, lo que resulta en una disposición uniforme. Como muchos minoristas de cadenas, cada electrón busca la ubicación más cercana con la menor competencia (de fuerzas magnéticas).

Al aumentar el campo magnético al máximo y bajar la temperatura hasta la zona criogénica, los investigadores pudieron observar cómo se formaba esta red e incluso fotografiar los cristales triangulares. Con más densidad o temperaturas más altas, los electrones se convertían en un líquido. De hecho, ajustar estas variables condujo a cambios y sorpresas que pueden ser estudiados más a fondo.

La verdadera estrella del estudio podría ser el microscopio de efecto túnel (STM) utilizado para observar este comportamiento, que permite a los investigadores “fotografiar” fenómenos a este nivel sin usar luz. La luz es una partícula que actúa como una onda y es disruptiva en muchos contextos nanoscópicos donde interactúan partículas individuales. En cambio, el STM funciona casi como un radar o sonar a nivel cuántico: una punta muy precisa hecha de un material conductor se acerca mucho a la superficie que está midiendo, y la forma en que la corriente viaja de regreso a la punta se utiliza para generar imágenes.

Estas imágenes son las primeras en capturar este esquivo estado de cristal de Wigner. “Hay literalmente cientos de artículos científicos que estudian estos efectos y afirman que los resultados deben deberse al cristal de Wigner, pero no se puede estar seguro, porque ninguno de estos experimentos ve realmente el cristal”, explicó en un comunicado el autor principal Ali Yazdani. Estos cristales fueron teorizados por primera vez hace casi 90 años, y aunque es valioso usar un término e idea para describir otras investigaciones, ese “espacio negativo” no puede reemplazar la observación directa del fenómeno.

Observar usando este microscopio cuántico requiere una muestra muy limpia y condiciones prácticamente perfectas, por lo que el grafeno, altamente estudiado y bien comprendido, es un excelente lugar para sentar esas bases. A partir de ahí, los científicos pueden explorar y tratar de fotografiar los cambios de fase y otras diferencias dentro de su configuración de grafeno de doble capa. Después de eso, otros investigadores podrían expandirse a diferentes materiales y contextos, con un ejemplo en mano de cómo puede verse el cristal de Wigner aislado.

La confirmación de la existencia de los cristales de Wigner no solo es un triunfo para la física teórica, sino que también abre nuevas puertas para la investigación en el campo de la materia cuántica. ¡Estamos en la cúspide de una nueva era de descubrimientos emocionantes!