Comprender y controlar el movimiento cuántico de los electrones permitirá a los científicos construir los dispositivos microelectrónicos del futuro y los qubits robustos necesarios para la computación cuántica. En este sentido, algunas superredes que forman un patrón de muaré resultan ser un entorno óptimo para investigar las interacciones entre electrones. Cuanto más fuertes son estas interacciones, más prominente es la naturaleza mecáno-cuántica de los materiales sólidos. En esta ocasión, un equipo de investigación ha empleado láseres para «observar» el movimiento de los electrones sin los artefactos que abundan en otras técnicas de medición. Y, al hacerlo, ha descubierto un raro estado cuántico de la materia, nunca antes observado en las superredes de muaré.

Un patrón de muaré es un patrón de interferencia que se forma cuando se superponen dos rejillas de líneas, ya sean rectas o curvas, con un cierto ángulo, y tiene como resultado la aparición de bandas oscuras. Un efecto de interferencia similar ocurre cuando se apilan cristales bidimensionales con espacios atómicos que no coinciden. Las superredes de muaré presentan propiedades físicas exóticas, ausentes en las capas que forman los patrones, que tienen su origen en la naturaleza cuántica de los electrones. Las investigadoras han descubierto una nueva propiedad en las superredes de muaré formadas en cristales hechos de diseleniuro de tungsteno/disulfuro de tungsteno (WSe₂/WS₂). En estos cristales bidimensionales, las interacciones entre los electrones son tan fuertes que los electrones se “congelan” y forman una matriz ordenada.

En los sólidos los niveles de energía que ocupan los electrones forman bandas de energía. Las superredes de muaré alteran la periodicidad atómica “vista” por los electrones y, por lo tanto, las bandas de energía. Los efectos muaré pueden dar lugar a bandas «planas», en las que los niveles de energía se juntan, lo que hace que los electrones reduzcan su energía cinética y sientan su repulsión mutua con más fuerza. El equipo del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (LBNL, por sus siglas en ingés) utilizó una técnica óptica novedosa para observar el movimiento de los electrones mientras variaba la cantidad de electrones inyectados en la muestra.

Cuando solo se inyectó un portador de carga (un nombre genérico para cosas como un electrón) por celda muaré unidad, se esperaba que los electrones se movieran libremente o, dicho de otra manera, que la muestra condujera la electricidad. En cambio, la muestra se convirtió en lo que se conoce como aislante de Mott, en el que los electrones interactúan con tanta fuerza que evitan estar en la misma celda. Si todas las celdas están ocupadas, los electrones dejan de moverse. Un material es un aislante de Mott si según la teoría de bandas debería conducir la electricidad pero, debido a las interacciones electrón-electrón, deja de hacerlo.

La verdadera sorpresa vino cuando se inyectaron menos electrones, de modo que solo la mitad o un tercio de las celdas estaban ocupadas. A estas bajas densidades los científicos esperaban que los electrones sintieran menos la presencia de los demás y tuvieran una gran movilidad. Sin embargo, la muestra resultó ser un aislante. En WSe₂/WS₂ los electrones interactúan con tanta fuerza que, no solo no puede haber dos electrones por celda unidad, sino que tampoco pueden estar en celdas vecinas. Este raro fenómeno se conoce como cristal electrónico de Wigner.

Los investigadores del LBNL también demostraron que en WSe₂/WS₂ la luz con la polarización adecuada interactúa de forma diferente con los electrones con distinto espín, lo que hace posible cambiar selectivamente la energía de los electrones en función de su espín. Al hacerlo, observaron que las excitaciones de espín persistían un tiempo órdenes de magnitud más largo que las excitaciones de carga. Esto abre la puerta a una futura investigación de estados de espín exóticos, como el líquido de espín cuántico, un sistema de espines cuyas orientaciones fluctúan incluso en el cero absoluto de temperatura .

Referencia:

Regan, E.C., Wang, D., Jin, C. et al. (2020) Mott and generalized Wigner crystal states in WSe₂/WS₂ moiré superlattices. Nature. doi: 10.1038/s41586-020-2092-4

Sobre el autor: César Tomé López es divulgador científico y editor de Mapping Ignorance