La formación de cristales de Wigner en estos sistemas está dominada por la interacción entre los electrones, más que por la energía cinética individual
Un equipo de físicos logra fotografiar cristales de Wigner: una fase cuántica de la materia predicha hace un siglo
Este control sobre la estructura de los cristales de Wigner abre la puerta a nuevas aplicaciones en dispositivos cuánticos
La imagen, publicada por el Lawrence Berkeley National Laboratory, muestra configuraciones electrónicas de moléculas de Wigner capturadas mediante microscopía STM. Esta observación directa es un hito en el estudio de fases cuánticas de la materia. - Cristales de Wigner
Eugenio M. Fernández Aguilar
Físico, escritor y divulgador científico. Director de Muy Interesante Digital
9.11.2024
Un equipo internacional de investigadores ha logrado capturar imágenes directas de una nueva fase cuántica de la materia, conocida como "cristales de Wigner". Para ello, han utilizado avanzadas técnicas de microscopía de efecto túnel. Los científicos incluso han observado cómo se forman estructuras cristalinas electrónicas en superredes moiré de diseleniuro de tungsteno (WS₂). Estos resultados abren la puerta a explorar nuevos fenómenos cuánticos y representan un avance significativo en el campo de la física de materiales. La observación de estas estructuras, compuestas por sitios electrónicos confinados con múltiples electrones, confirma predicciones teóricas y proporciona una nueva perspectiva sobre los comportamientos cuánticos en sistemas bidimensionales.
El estudio, publicado en la prestigiosa revista Science, detalla cómo los investigadores han podido visualizar, por primera vez, la distribución de electrones en configuraciones de moléculas de Wigner dentro de átomos artificiales. Estos átomos muestran propiedades características, debido a las interacciones electrón-electrón y la estructura periódica del potencial moiré. Según los autores, los resultados representan una nueva fase de materia electrónica y proporcionan oportunidades para explorar fenómenos cuánticos en sistemas artificiales de átomos moiré.
¿Qué son los cristales de Wigner?
Los cristales de Wigner deben su nombre al físico húngaro Eugene Wigner, quien en 1934 propuso que los electrones, bajo ciertas condiciones, podrían organizarse en una estructura cristalina para minimizar la energía de repulsión mutua. Esta idea surge del comportamiento colectivo de los electrones en un entorno donde las interacciones de Coulomb dominan sobre la energía cinética. La existencia de estos cristales se ha teorizado en diferentes contextos, pero su observación experimental había sido un desafío, especialmente en sistemas de baja dimensión como los materiales bidimensionales.
En el caso de las superredes moiré, la formación de cristales de Wigner es posible gracias a las interacciones electrónicas fortalecidas por el confinamiento cuántico y el potencial periódico creado por la estructura moiré. Los avances recientes en técnicas experimentales han permitido no solo detectar estas configuraciones, sino también observarlas directamente, proporcionando un vistazo a cómo los electrones se organizan en patrones similares a los de un cristal. Estos patrones, que se asemejan a triángulos y anillos, varían según el número de electrones presentes y las condiciones experimentales.
Primera página del artículo original de Eugene Wigner, 1934.El hallazgo: observación experimental de los cristales de Wigner
En este estudio, los investigadores utilizaron una técnica avanzada de microscopía de túnel de barrido (STM) que permitió capturar imágenes de alta resolución de los átomos artificiales y sus configuraciones electrónicas. La superred de WS₂ utilizada fue diseñada con un ángulo de torsión cercano a los 60 grados, lo que crea un patrón moiré ideal para el confinamiento de electrones. Al modificar el voltaje aplicado al material, los científicos pudieron controlar la cantidad de electrones, lo que les permitió observar y estudiar distintas configuraciones de moléculas de Wigner.
De acuerdo con el News Center de Berkeley Lab, estas imágenes muestran de manera inédita la estructura de los cristales de Wigner. En sus experimentos, encontraron que para una ocupación de tres electrones por sitio moiré, los electrones formaban una estructura triangular distintiva, conocida como "trimer de Wigner" (podría traducirse como "trímero de Wigner"). Esta configuración es un ejemplo claro de cómo las interacciones de Coulomb pueden reorganizar los electrones en patrones específicos, alejándose del modelo simplificado de ocupación de orbitales no interactuantes. El uso de la técnica STM permitió a los investigadores visualizar estas configuraciones con una precisión sin precedentes, superando desafíos anteriores relacionados con la resolución espacial y las perturbaciones del sistema.
El Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) tiene un papel fundamental en este estudio. Fuente: Wikipedia
El papel de las interacciones electrón-electrón
La formación de cristales de Wigner en estos sistemas está dominada por la interacción entre los electrones, más que por la energía cinética individual. Este fenómeno puede describirse utilizando el parámetro de Wigner (RW), que representa la relación entre la energía de repulsión de Coulomb (U) y la diferencia de energía entre niveles de un solo electrón (Δ). Cuando el parámetro RW es alto, las interacciones de Coulomb dominan, llevando a una configuración de moléculas de Wigner en lugar de la ocupación centralizada típica de los niveles de energía más bajos.
Los resultados de este estudio sugieren que el valor del parámetro RW es crítico para la formación de estas estructuras. En las condiciones experimentales del estudio, los átomos artificiales con tres electrones presentaron una clara separación de densidad de carga en tres picos distintos, un indicio de la formación de moléculas de Wigner. Esto contrasta con configuraciones de menor ocupación, donde la distribución de electrones es más homogénea y centrada.
Manipulación y aplicaciones futuras de los cristales de Wigner
Uno de los aspectos más interesantes de este hallazgo es la capacidad de manipular los cristales de Wigner mediante cambios en el periodo de la superred moiré y la aplicación de tensión mecánica. Al ajustar estos parámetros, los investigadores demostraron que es posible modificar la forma y la distribución de las moléculas de Wigner, permitiendo explorar diferentes configuraciones y propiedades electrónicas.
Este control sobre la estructura de los cristales de Wigner abre la puerta a nuevas aplicaciones en dispositivos cuánticos, donde estas configuraciones podrían utilizarse para manipular el flujo de electrones y crear estados cuánticos personalizados. Por otra parte, la capacidad de inducir y controlar estas fases cuánticas mediante parámetros externos ofrece una herramienta poderosa para el diseño de materiales con propiedades electrónicas ajustables, lo que podría ser clave en el desarrollo de tecnologías futuras en computación cuántica y electrónica avanzada.
La gran punta dorada en la parte superior es una representación artística de la sonda o punta del microscopio STM. Fuente: ChatGPT / Eugenio Fdz.
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Referencias
- Hongyuan Li, Ziyu Xiang, Aidan P. Reddy, Trithep Devakul, Renee Sailus, Rounak Banerjee, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Sefaattin Tongay, Alex Zettl, Liang Fu, Michael F. Crommie, Feng Wang. "Wigner Molecular Crystals from Multi-electron Moiré. Artificial Atoms". Science, DOI: 10.1126/science.adk1348.
