Cuando los electrones confinados en un plano bidimensional interactúan fuertemente entre sí, pueden dejar de moverse de forma independiente y, en su lugar, formar una red periódica similar a la disposición atómica en un cristal ordinario.
Este estado ordenado, conocido como cristal de Wigner y que es uno de los más esquivos de la materia, ha fascinado a los físicos desde hace décadas porque su orden no surge de la estructura interna del material hospedador, sino de las interacciones entre los propios electrones.
Aunque se han observado cristales de Wigner en diversos sistemas físicos, investigar su comportamiento interno (es decir, cómo los electrones de su interior se mueven, interactúan y reaccionan a perturbaciones externas) ha venido siendo un gran desafío.
Ahora, un equipo integrado, entre otros, por Tomasz Smoleński y Lujun Wang, de la Universidad de Basilea en Suiza, y Michael Knap, de la Universidad Técnica de Múnich en Alemania, ha desarrollado un nuevo método para revelar el movimiento colectivo de los electrones dentro de un cristal de Wigner. Mediante el uso de luz, estos físicos han conseguido descubrir nuevos detalles de este frágil estado cuántico.
El equipo recurrió a una capa de grosor atómico de diseleniuro de tungsteno enfriada hasta solo unos pocos grados centígrados por encima del cero absoluto. El nombre de “cero absoluto” se le da a la temperatura más baja que permiten las leyes de la física, 273,15 grados centígrados bajo cero. Al iluminar el material y medir la luz reflejada, los investigadores observaron nuevas características ópticas que revelan el comportamiento colectivo de los electrones dentro de un cristal de Wigner.
Estas características surgen de una sutil interacción entre las excitaciones generadas por la luz en el material, conocidas como excitones, y la disposición ordenada de los electrones. Las cuasipartículas híbridas resultantes, definibles como polarones de cristal de Wigner, actúan como una sonda óptica altamente sensible del cristal y su dinámica colectiva.
Estas mediciones demuestran que la luz puede hacer más que simplemente detectar la presencia de este estado exótico; puede revelar qué ocurre exactamente bajo su influencia.
Los investigadores también descubrieron que la intensidad de las interacciones entre los electrones moldea estas firmas ópticas. Esto las hace particularmente valiosas para explorar la física fundamental de los sistemas fuertemente correlacionados, cuyas propiedades surgen del comportamiento colectivo de muchas partículas interactuando.
“Lo más interesante es que estas señales contienen información no solo sobre la disposición de los electrones, sino también sobre su dinámica cuántica”, destaca Fabian Pichler, de la Universidad Técnica de Múnich y coautor de la investigación.
Los resultados del estudio demuestran que los materiales de espesor atómico ofrecen una plataforma prometedora para visualizar el movimiento colectivo de los electrones en estados cuánticos ordenados. Esto abre nuevas posibilidades para comprender mejor la dinámica interna de la materia fuertemente correlacionada.
El estudio se titula “Spectroscopy of Wigner crystal polarons in an atomically thin semiconductor”. Y se ha publicado en la revista académica Nature Physics.
