Cuando se dan las condiciones adecuadas, algunos de los electrones de un material se organizarán en un patrón ordenado similar a un panal, como si se tratase de un sólido dentro de otro sólido. Ahora, los físicos han logrado captar una imagen de estos «cristales de Wigner», así llamados en honor al físico de origen húngaro Eugene Wigner, quien predijo su existencia hace casi 90 años.
Aunque los investigadores ya habían conseguido crear cristales Wigner y medir sus propiedades con anterioridad, esta es la primera vez que han obtenido una instantánea de su estructura, explica Feng Wang, físico de la Universidad de California en Berkeley y coautor del estudio. «Si dices que tienes un cristal de electrones, muéstrame el cristal», apunta. Los resultados se publican en Nature.
Para crear el cristal, los autores fabricaron un dispositivo que contenía capas de espesor atómico de dos semiconductores similares: disulfuro de wolframio y diseleniuro de wolframio. Luego, usaron un campo eléctrico para ajustar la densidad de los electrones libres a lo largo de la interfaz entre ambas capas.
En los materiales ordinarios, los electrones se mueven demasiado deprisa para verse afectados de manera significativa por la repulsión mutua que experimentan debido a su carga negativa. Sin embargo, Wigner predijo que si los electrones se movieran lo suficientemente despacio, esa repulsión comenzaría a dominar su comportamiento. Como consecuencia, deberían organizarse en patrones que minimicen su energía total.
Para lograrlo, Wang y sus colaboradores frenaron los electrones del material enfriándolo a unos pocos grados por encima del cero absoluto. Otro factor fue un pequeño desajuste entre las dos capas del dispositivo: los átomos en cada una de ellas estaban separados por distancias ligeramente diferentes, por lo que al unirlos daban lugar a un «patrón de moiré» con forma de panal, similar al que se ve al superponer dos retículos. Ese patrón repetitivo generó regiones de energía ligeramente más baja, lo que permitió que los electrones se estabilizaran.
La ayuda del grafeno
Para fotografiar el cristal, los autores usaron un microscopio de efecto túnel. En estos dispositivos, una punta metálica se cierne sobre la muestra y la aplicación de un voltaje hace que los electrones salten hacia abajo desde la punta, lo que genera una corriente eléctrica. A medida que la punta se mueve por la superficie, la intensidad cambiante de la corriente revela la ubicación de los electrones en la muestra.
Los primeros intentos de tomar imágenes de un cristal de Wigner con un microscopio de efecto túnel fracasaron, explica Wang, ya que la corriente eléctrica destruía el frágil cristal. Para evitarlo, los investigadores añadieron en la parte superior una capa de grafeno, el célebre material bidimensional formado por capas de carbono de un solo átomo de espesor. El cristal de Wigner modificó ligeramente la estructura electrónica del grafeno ubicado justo encima, lo que fue registrado por el microscopio de efecto túnel.
Las imágenes obtenidas muestran claramente la ordenada disposición de los electrones de Wigner subyacentes. Y, como esperaban los investigadores, los electrones del cristal de Wigner se hallaban unas cien veces más separados entre sí que los átomos que formaban la red cristalina de los semiconductores.
«Creo que haber conseguido usar un microscopio de efecto túnel en estos sistemas es un gran avance», opina Carmen Rubio Verdú, física de la Universidad de Columbia. La experta agrega que el mismo método basado en el grafeno debería permitir estudiar otros fenómenos interesantes mediante microscopía de efecto túnel. Kin Fai Mak, físico de la Universidad Cornell, está de acuerdo: «Es una técnica no invasiva para el estado que se desea investigar. Para mí, es una idea muy inteligente».
Davide Castelvecchi
Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de Nature Research Group.
Referencia:«Imaging two-dimensional generalized Wigner crystals»; Hongyuan Li et al. en Nature, vol. 597, págs. 650–654, 29 de septiembre de 2021.
