Derretir cristales de electrones

Como un cubito de hielo en un vaso de agua, deshaciéndose poco a poco. Así es más o menos como los científicos de Massachusetts Institute of Technology (MIT) han descrito un cristal cuántico de electrones derritiéndose en un material semiconductor.

La cuestión es que desde hace más de 80 años existía la teoría que describía esta transición en física cuántica, pero no ha sido hasta ahora cuando se ha podido comprobar y documentar de manera empírica.

Y es que la idea de un cristal de electrones se remonta a 1934, cuando fue propuesta por primera vez por el físico Eugene Wigner. Normalmente, los materiales semiconductores como el silicio y el aluminio conducen la electricidad en forma de electrones que circulan por el material a la velocidad de la luz, creando una corriente en éste. Sin embargo, a bajas temperaturas, los electrones en estos materiales prácticamente se detienen. Cualquier movimiento que los electrones muestren en esas condiciones se debe a interacciones cuánticas: fuerzas invisibles entre electrones y otras partículas cuánticas subatómicas.

Los electrones, cargados negativamente, se repelen entre ellos. Lo que Wigner formuló entonces es que, enfriados a bajas densidades, deberían actuar como una contención, manteniéndose juntos pero a intervalos equidistantes. Así es como se formaría el cristal de electrones.

Desde la propuesta de Wigner, muchos son los que han intentado observar infructuosamente este cristal en laboratorio, hasta que los físicos Raymond Ashoori y Joonho Jang se propusieron algo distinto. Y por casualidad, como suele suceder en esto de la ciencia, lograron documentarlo.

Un descubrimiento fortuito

En realidad, lo que Ashoori y Jang investigaban eran los túneles cuánticos, que consiste en disparar electrones a través de una barrera semiconductora a una capa bidimensional de electrones para probar el estado de energía de un material al otro lado del “túnel”. Y es que la mecánica cuántica dictamina que hay una probabilidad de que cualquier objeto en el universo podría cruzar una barrera y aparecer en el otro extremo inalterado.

Para estudiar esto, los investigadores enfriaron una capa semiconductora de arseniuro de galio bajo una barrera de arseniuro de galio-aluminio (que en determinadas circunstancias pueden actuar como conductores), y aplicaron pulsaciones de electrones a varias energías para analizar a posteriori los datos.

Fue entonces cuando Jang observó un pico en estos datos, que le llevaron a deducir que sólo podía haber sido originado por un cristal de electrones vibrando al unísono.

Los investigadores fueron entonces un paso más allá para estudiar qué sucedería si alterasen la densidad de los electrones en la capa bidimensional; lo que hallaron es que a mayor densidad, se produce mayor vibración del cristal de electrones, que alcanza un pico máximo para desaparecer a continuación, tal y como las teorías formulan que un cristal debería derretirse. El cristal de electrones se volvió tan denso que su estructura acabó desmigajándose, derritiéndose, alcanzando así un estado mucho más desordenado y fluido.

Ashoori y Jang han publicado estos resultados y sus conclusiones en la revista Nature Physics.