La electricidad impulsa la vida moderna, desde automóviles y teléfonos hasta computadoras y casi todos los demás dispositivos de los que dependemos. Funciona mediante el movimiento de electrones que viajan a través de un circuito. Aunque estas partículas parecen muy pequeñas, la corriente eléctrica que crean fluye a través del cable de manera muy similar al agua que se mueve a través de una tubería.
Sin embargo, en algunos materiales, este flujo constante puede bloquearse repentinamente en patrones organizados, parecidos a cristales. Cuando los electrones se asientan en este sistema rígido, el material cambia su estado y deja de conducir electricidad. En lugar de actuar como un metal, se comporta como un aislante. Este comportamiento inusual proporciona a los científicos información valiosa sobre cómo interactúan los electrones y ha abierto la puerta a avances en superconductores de alto rendimiento utilizados en computación cuántica, energía e imágenes médicas, sistemas de iluminación innovadores y relojes atómicos de alta precisión.
Un equipo de físicos de la Universidad Estatal de Florida, incluido el becario postdoctoral Dirac del Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético, Aman Kumar, el profesor asociado Hitesh Changlani y el profesor asistente Cyprian Levandowski, han identificado las condiciones específicas que permiten que se forme un tipo especial de cristal de electrones. En este estado, los electrones se disponen en una red sólida pero pueden migrar a una forma más fluida. Esta fase híbrida se llama cristal de Wigner simple y los hallazgos del equipo aparecen en NPJ Quantum Materials, una publicación de Nature.
Cómo los electrones forman cristales
Los científicos saben desde hace mucho tiempo que los electrones en materiales delgados y bidimensionales pueden quedar atrapados dentro de los cristales de Wigner, una idea propuesta por primera vez en 1934. Los experimentos de los últimos años han identificado estas estructuras, pero los investigadores no comprenden completamente cómo surgen cuando se consideran efectos cuánticos adicionales.
“En nuestra investigación, hemos determinado qué ‘perillas cuánticas’ son necesarias para desencadenar esta transición de fase y lograr un cristal Wigner típico, que utiliza un sistema muaré 2D y permite la creación de diferentes formas de cristal, como rayas o cristales en forma de panal, en contraste con los cristales Wigner tradicionales que solo muestran un cristal reticular triangular”.
Para explorar estas condiciones, el equipo se basó en herramientas computacionales avanzadas en el Centro de Computación de Investigación de FSU, una unidad de servicios académicos de Servicios de Tecnología de la Información, así como en el programa ACCESS de la Fundación Nacional de Ciencias (un recurso de datos y computación avanzado bajo la Oficina de Infraestructura Cibernética Avanzada). Utilizaron métodos como sesgo exacto, grupos de reconstrucción de matrices de densidad y simulaciones de Monte Carlo para examinar cómo se comportan los electrones en diferentes condiciones.
Procesando grandes cantidades de datos cuánticos
La mecánica cuántica asigna dos datos a cada electrón y, cuando cientos o miles de electrones interactúan, la cantidad total de datos se vuelve extremadamente grande. Los investigadores utilizan algoritmos sofisticados para condensar y organizar estos datos abrumadores en redes que puedan examinarse e interpretarse.
“Pudimos simular los resultados experimentales con nuestra comprensión teórica del estado de la materia”, dijo Kumar. “Llevamos a cabo cálculos teóricos precisos utilizando cálculos de redes tensoriales de última generación y deformación exacta, una poderosa técnica numérica utilizada en física para obtener detalles sobre un hamiltoniano cuántico, que representa la energía cuántica total en un sistema. A través de esto, podemos proporcionar una imagen de cómo llegan a cristalizar y por qué oscilan entre estados competitivos fuertes”.
Un nuevo híbrido: fase de pinball cuántico
Mientras estudiaba los cristales de Wigner generalizados, el equipo descubrió otro estado sorprendente de la materia. En esta fase recién identificada, los electrones muestran un comportamiento aislante y conductor al mismo tiempo. Algunos electrones permanecen anclados en su lugar dentro de la red cristalina, mientras que otros se liberan y se mueven por todo el material. Su movimiento se asemeja al de un pinball que rebota entre postes fijos.
“Esta fase de pinball es una fase muy interesante de la materia que observamos mientras estudiamos los cristales de Wigner generalizados”, dijo Lewandowski. “Algunos electrones quieren congelarse y otros quieren flotar, lo que significa que algunos son aislantes y otros conducen electricidad. Esta es la primera vez que se observa e informa este efecto mecánico cuántico único para la densidad de electrones que estudiamos en nuestro trabajo”.
Por qué son importantes estos descubrimientos
Estos resultados amplían la capacidad de los científicos para comprender y controlar cómo se comporta la materia a nivel cuántico.
“¿Qué hace que algo sea un aislante, un conductor o un imán? ¿Podemos cambiar algo a un estado diferente?” dijo Lewandowski. “Queremos predecir dónde existen ciertas fases de la materia y cómo un estado puede pasar a otro: cuando piensas en convertir un líquido en gas, estás girando una perilla de calor para hervir agua en vapor. Resulta que hay otras perillas cuánticas que podemos utilizar para cambiar los estados de la materia, lo que podría conducir a una investigación fascinante”.
Al ajustar estas perillas cuánticas, o escalas de energía, los investigadores pueden empujar los electrones de estos materiales de la fase sólida a la líquida. Comprender los cristales de Wigner y sus estados relacionados podría dar forma al futuro de las tecnologías cuánticas, incluida la computación cuántica y la espintrónica, un campo de materia condensada en rápido desarrollo que promete dispositivos nanoelectrónicos más rápidos y eficientes con menor consumo de energía y menores costos de fabricación.
El equipo pretende explorar más a fondo cómo los electrones cooperan y se influyen entre sí en sistemas complejos. Su objetivo es abordar cuestiones fundamentales que, en última instancia, pueden impulsar la innovación en tecnologías cuánticas, superconductoras y nucleares.
