Imaginați-vă pentru o clipă că electronii, aceste particule infinitezimale care orbitează nucleele atomice, ar putea îngheța și să se organizeze într-o structură solidă. Este exact ceea ce oamenii de știință au reușit să observe pentru prima dată în timpul unui experiment revoluționar. Acest fenomen, teoretizat anterior, dar niciodată dovedit într-un mod atât de direct, marchează un progres major în înțelegerea fizicii cuantice.
Electronii sunt particule subatomice care sunt în general libere să se miște prin materiale. În condiții extreme, cum ar fi temperaturi foarte scăzute, comportamentul lor se poate schimba dramatic. În 1934, fizicianul Eugene Wigner a teoretizat în mod deosebit că, odată încetiniți, electronii se pot organiza într-un fel de structură cristalină, similară cu cea observată în cristalele de sare sau de gheață, dar la scară infinit de mică. În mod normal, electronii se mișcă ca un fluid dezordonat prin materiale. La temperaturi foarte scăzute, repulsia electrostatică (deoarece toți electronii au sarcină negativă) devine predominantă. În loc să se miște liber, electronii apoi se resping reciproc și se stabilizează în poziții fixe pentru a forma o structură cristalină. Așa apare un cristal Wigner.
Acest fenomen, care pare aproape magic, a rămas teoretic de zeci de ani. Recent o echipă de cercetători a reușit să observe acest proces pentru prima dată. Mai mult, ei nu au observat doar un cristal Wigner clasic. Ei au descoperit o versiune și mai complexă: cristalul molecular Wigner. Acesta din urmă implică grupuri de electroni, numite molecule de electroni, care se grupează și se aranjează în mod ordonat într-o rețea cristalină. Această formă de cristal este mai complexă, deoarece se bazează pe structuri moleculare formate din electroni multipli, nu doar electroni individuali. Rezultatele au fost prezentate într-un articol publicat în Science.
Observarea acestui cristal molecular Wigner marchează un punct de cotitură în înțelegerea noastră a materialelor și a proprietăților electronilor în condiții extreme. Există acum dovezi experimentale că grupurile de electroni se pot comporta ca entități separate care cristalizează într-o structură stabilă. Provocarea observării cristalelor de electroni constă în însăși natura electronilor: sunt minuscule, extrem de rapizi și foarte sensibili la mediu. În plus, cristalele de electroni se formează în condiții de temperatură și densitate foarte specifice, ceea ce face observarea lor extrem de dificilă. Folosirea instrumentelor tradiționale pentru a le studia riscă să perturbe aceste structuri fragile. Pentru a depăși această problemă, cercetătorii au folosit un microscop cu scanare cu efect de tunel (STM), un dispozitiv capabil să detecteze structuri atomice la o scară extrem de fină. Cu toate acestea, chiar și cu acest dispozitiv de înaltă precizie, observația a rămas complexă, deoarece câmpul electric produs de vârful microscopului ar putea perturba electronii. Pentru a minimiza această întrerupere, echipa a folosit o metodă inovatoare de ajustare a distanței și a tensiunii dintre vârful microscopului de scanare cu efect de tunel și probă, reducând astfel impactul câmpului electric generat de vârf și a ajutat la evitarea perturbării structurii fragile a moleculare. cristale de electroni în timp ce captează imagini precise.
Această descoperire ar putea avea implicații de amploare pentru fizica materialelor și tehnologia materialelor cuantice. Cristalele moleculare Wigner ar putea deschide într-adevăr calea către noi clase de materiale cu proprietăți unice, în special pentru electronica de mâine. De exemplu, cercetătorii își imaginează deja că aceste cristale ar putea fi folosite la fabricarea de componente electronice ultrarezistente sau pentru a îmbunătăți stocarea energiei în dispozitivele electronice.
O altă aplicație potențială constă în dezvoltarea computerelor cuantice. Aceste mașini, care exploatează principiile fizicii cuantice pentru a procesa informații, ar putea beneficia de materiale capabile să manipuleze electronii în moduri noi și mai eficiente. Acest lucru ar putea face posibilă proiectarea de computere mai puternice, cu capacități de calcul incomparabile cu tehnologiile actuale.
