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En una nueva investigación revisada por pares, físicos de la Universidad de Princeton han confirmado que los electrones ni siquiera necesitan átomos para juntarse. Utilizando campos magnéticos, fueron capaces de inducir y detectar cristales de Wigner, que son ensamblajes ordenados de electrones por sí solos. La adhesión se crea mediante el entrelazamiento y la repulsión mutua, algo parecido al Día de Acción de Gracias de los electrones.
Para crear y examinar una estructura cristalina de Wigner, los científicos utilizaron un potente campo magnético alrededor de una muestra preparada de grafeno. El grafeno es una preparación de átomos de carbono en una red regular de un átomo de grosor, lo que le confiere propiedades que lo convierten en una herramienta muy apreciada para el estudio de fenómenos microscópicos y cuánticos como éste. Puede ser plano, enrollarse en tubos, envolver cosas y, en este caso, disponerse 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 triangulares de Wigner.
¿Por qué ocurre esto? Bueno, según los investigadores, "Wigner predijo que cuando las interacciones de Coulomb entre los electrones se hacen mucho más fuertes que su energía cinética, los electrones cristalizan en una red estrechamente empaquetada". Las interacciones de Coulomb son la piedra angular de todo estudio electromagnético, y también se denominan fuerza electrostática. Son la razón por la que los imanes del mismo lado se repelen, y en este caso, los electrones con la misma carga se repelen entre sí.
Cuando los electrones están atrapados muy fuertemente dentro de un campo magnético del que no pueden escapar, es como la trituradora de coches de tu chatarrería local. Los electrones quieren desesperadamente escapar unos de otros, pero están hacinados dentro, densamente, sin ningún lugar a donde ir. Así que lo mejor que pueden hacer es espaciarse tanto como puedan, lo que da lugar a una disposición uniforme. Al igual que muchos minoristas en cadena, cada electrón quiere buscar el lugar más cercano con la menor competencia (de las fuerzas magnéticas).
Al elevar al máximo el campo magnético y bajar la temperatura hasta la zona criogénica, los investigadores pudieron observar cómo se formaba este entramado e incluso fotografiarlo, los cristales triangulares que contienen sólo los electrones de estos átomos de carbono. Con más densidad o temperaturas más altas, los electrones se convertían en líquido. De hecho, al sintonizar estas variables se produjeron cambios y sorpresas que pueden seguir estudiándose.
La verdadera estrella del estudio puede ser el microscopio de barrido en túnel (STM) utilizado para observar este comportamiento, que permite a los investigadores "fotografiar" fenómenos a este nivel sin utilizar luz. La luz es una partícula que actúa como una onda, y es perjudicial en muchos contextos nanoscópicos donde hay partículas individuales en juego. En cambio, el STM funciona casi como un radar o un sonar a nivel cuántico: se acerca una punta muy precisa de un material conductor a la superficie que está midiendo, y la forma en que la corriente vuelve a la punta es lo que se utiliza para generar imágenes.
Estas imágenes son las primeras que captan este esquivo estado del 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 en ninguno de estos experimentos se ve realmente el cristal", explica en un comunicado el autor principal, Ali Yazdani. Estos cristales se teorizaron por primera vez hace casi 90 años, y aunque es valioso utilizar un término y una idea para describir otras investigaciones, ese "espacio negativo" no puede sustituir a la observación directa del fenómeno".
La observación con este microscopio cuántico requiere una muestra muy limpia y unas condiciones prácticamente perfectas, por lo que el grafeno, tan estudiado y comprendido (por ser uno de los grandes mimados de la investigación cuántica), es un lugar ideal para sentar las 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, otros investigadores podrán explorar otros materiales y contextos, con un ejemplo de lo que puede ser un cristal de Wigner aislado.
Caroline Delbert is a writer, avid reader, and contributing editor at Pop Mech. She's also an enthusiast of just about everything. Her favorite topics include nuclear energy, cosmology, math of everyday things, and the philosophy of it all.
