17 octubre 2021

Primera imagen del extraño hielo de electrones teorizado hace 90 años

Primera imagen del extraño hielo de electrones teorizado hace 90 años
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Esta imagen de microscopio de barrido de túnel de una hoja de grafeno revela que un

Esta imagen de microscopio de barrido de túnel de una hoja de grafeno revela que un «cristal de Wigner», una disposición de electrones en forma de panal, se ha formado dentro de una estructura en capas debajo. – H. LI ET AL./NATURE

   MADRID, 13 Oct. –

   Físicos de Berkeley han tomado la primera imagen de un cristal Wigner, un extraño material en forma de panal dentro de otro material, hecho completamente de electrones.

   El físico húngaro Eugene Wigner teorizó por primera vez sobre este cristal en 1934, pero los científicos tardaron más de ocho décadas en obtener finalmente una mirada directa al «hielo de electrones». La fascinante primera imagen muestra electrones aplastados en un patrón apretado y repetido, como pequeñas alas de mariposa azul o presiones de un trébol alienígena.

   Los investigadores detrás del estudio, publicado en Nature, dicen que si bien esta no es la primera vez que un cristal Wigner se ha creado de manera plausible o incluso se han estudiado sus propiedades, la evidencia visual que recolectaron es la más enfática. prueba de la existencia del material todavía.

   «Si dices que tienes un cristal de electrones, muéstrame el cristal», dijo a Nature News el coautor del estudio, Feng Wang, físico de la Universidad de California Berkeley.

   Dentro de los conductores ordinarios como la plata o el cobre, o los semiconductores como el silicio, los electrones se mueven tan rápido que apenas pueden interactuar entre sí. Pero a temperaturas muy bajas, se ralentizan y la repulsión entre los electrones cargados negativamente comienza a dominar. Las partículas que alguna vez fueron altamente móviles se muelen hasta detenerse, organizándose en un patrón repetitivo en forma de panal para minimizar su uso total de energía.

   Para ver esto en acción, los investigadores atraparon electrones en el espacio entre las capas de un átomo de espesor de dos semiconductores de tungsteno: uno de disulfuro de tungsteno y el otro de diselenuro de tungsteno. Luego, después de aplicar un campo eléctrico a través del espacio para eliminar cualquier exceso de electrones potencialmente disruptivos, los investigadores enfriaron su sándwich de electrones hasta 5 grados por encima del cero absoluto. Efectivamente, los electrones que alguna vez fueron rápidos se detuvieron, instalándose en la estructura repetitiva de un cristal Wigner.

   Luego, los investigadores utilizaron un dispositivo llamado microscopio de efecto túnel (STM) para ver este nuevo cristal. Los STM funcionan aplicando un voltaje minúsculo a través de una punta de metal muy afilada antes de pasarlo justo por encima de un material, lo que hace que los electrones salten a la superficie del material desde la punta. La velocidad a la que los electrones saltan desde la punta depende de lo que hay debajo de ellos, por lo que los investigadores pueden crear una imagen de los contornos tipo Braille de una superficie 2D midiendo la corriente que fluye hacia la superficie en cada punto.

   Pero la corriente proporcionada por el STM fue al principio demasiado para el delicado hielo de electrones, «derritiéndolo» al entrar en contacto. Para detener esto, los investigadores insertaron una capa de grafeno de un solo átomo justo encima del cristal de Wigner, lo que permitió que el cristal interactuara con el grafeno y dejara una impresión de que el STM podía leer con seguridad, como una fotocopiadora. Al trazar la imagen impresa en la hoja de grafeno por completo, el STM capturó la primera instantánea del cristal Wigner, demostrando su existencia más allá de toda duda.

   Ahora que tienen pruebas concluyentes de que los cristales de Wigner existen, los científicos pueden usar los cristales para responder preguntas más profundas sobre cómo interactúan varios electrones entre sí, como por qué los cristales se ordenan en forma de panal y cómo se «funden». Las respuestas ofrecerán una visión poco común de algunas de las propiedades más esquivas de las diminutas partículas, informa Live Science.

CL1