Por primera vez, los científicos han capturado imágenes directas de una nueva fase cuántica de la materia conocida como el cristal molecular de Wigner, una estructura que podría contribuir a nuevos enfoques de la tecnología cuántica.
Los cristales moleculares de Wigner pueden exhibir nuevas tecnologías cuánticas
El concepto de cristal de Wigner, que debe su nombre al físico Eugene Wigner, se remonta a la década de 1930. A diferencia de los electrones típicos que atraviesan rápidamente los materiales, Wigner teorizó que los electrones podrían ralentizarse hasta casi detenerse en determinadas condiciones de baja densidad y baja temperatura. Esto crearía efectivamente un “hielo electrónico” estructurado hecho de un conjunto ordenado de electrones dispuestos en un patrón de panal. Durante casi 90 años, los investigadores solo pudieron especular sobre su existencia, hasta que un desarrollo de 2021 dirigido por Feng Wang y Michael Crommie proporcionó una prueba visual de los cristales de Wigner.
El último estudio lleva este descubrimiento un paso más allá, capturando imágenes de una fase cuántica más compleja: el cristal molecular de Wigner. Según el estudio, esta nueva fase está definida por patrones organizados de moléculas artificiales formadas a partir de pares de electrones. “Somos los primeros en observar directamente esta nueva fase cuántica, lo cual fue bastante inesperado”, dice Wang, científico de la facultad de Berkeley Lab y profesor de física de UC Berkeley. Los hallazgos, publicados en Science, hablan del potencial del cristal para avanzar en nuestra comprensión de las interacciones de los electrones y sus aplicaciones en la tecnología cuántica.
La técnica de escaneo que permite la observación directa
A pesar de los años de investigación, la obtención de imágenes directas de los cristales moleculares de Wigner ha resultado difícil, en gran medida porque los microscopios de efecto túnel convencionales corren el riesgo de alterar la delicada estructura electrónica del cristal. Para este estudio, los científicos del Laboratorio Berkeley utilizaron una nueva técnica de efecto túnel, ajustando el campo eléctrico para minimizar la interferencia y capturar con éxito la intrincada disposición molecular.
Según el estudio, el equipo logró estas imágenes mediante la creación de una superred muaré de disulfuro de tungsteno retorcido, un nanomaterial construido a partir de disulfuro de tungsteno bicapa y dispuesto en un ángulo de 58 grados. Esta estructura, combinada con nitruro de boro hexagonal y una compuerta trasera de grafito, permitió a los investigadores confinar los electrones dentro de celdas de 10 nanómetros de ancho. Cada celda contenía de dos a tres electrones, formando matrices ordenadas de moléculas de electrones muaré que culminaban en un cristal molecular de Wigner.
Cristales moleculares de Wigner en comparación con el cristal Wigner original
Según el estudio, los cristales moleculares de Wigner difieren de los cristales originales de Wigner, que presentan un patrón uniforme en forma de panal. En esta nueva fase cuántica, las “moléculas” de electrones están formadas por dos o más electrones confinados en celdas individuales, creando una red ordenada de pares de electrones. Esta configuración surge de la interacción entre la mecánica cuántica y las interacciones electrón-electrón, que colectivamente impulsan a los electrones a estos estados estables. El estudio explica que la baja temperatura de la superred de muaré y el potencial energético único son esenciales para esta disposición molecular, agregando una nueva dimensión a la teoría original de Wigner.
Estas estructuras cristalinas no solo son visualmente impactantes, sino también científicamente significativas. La disposición ordenada de los electrones podría revelar nuevas propiedades relacionadas con el transporte y el espín de los electrones, que son muy relevantes para el desarrollo de tecnologías cuánticas. Los investigadores esperan que la comprensión de estas características pueda conducir a avances en las simulaciones cuánticas, donde las interacciones de los electrones son fundamentales.
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