Un avance histórico en física cuántica permite fotografiar un cristal hecho solo de electrones

Los electrones suelen describirse como partículas diminutas que se mueven libremente dentro de los materiales, transportando corriente eléctrica y respondiendo a campos externos. Sin embargo, bajo condiciones muy concretas, ese comportamiento cotidiano se rompe y da paso a fenómenos colectivos difíciles de observar y aún más de comprender. Uno de ellos es el llamado cristal de Wigner, una fase exótica en la que los electrones dejan de comportarse como un gas y se ordenan espontáneamente formando una estructura regular.

Un grupo de investigadores ha logrado ahora observar directamente este tipo de cristal electrónico con una resolución sin precedentes, utilizando un nuevo tipo de material cuántico bidimensional. El hallazgo no solo confirma décadas de predicciones teóricas, sino que abre una vía experimental inédita para estudiar estados colectivos de la materia dominados por la interacción entre electrones y no por su movimiento individual.

Qué es un cristal de Wigner y por qué resulta tan difícil de observar

Un cristal de Wigner es un estado de la materia en el que los electrones se organizan en una red ordenada, similar a la estructura de un cristal atómico, pero sin átomos. Este fenómeno aparece cuando la repulsión eléctrica entre electrones supera claramente su energía cinética, obligándolos a mantenerse separados y adoptar posiciones fijas relativas. En ese régimen, los electrones dejan de fluir y se comportan como un sólido.

El principal problema para estudiar estos cristales es su extrema fragilidad. Cualquier perturbación externa —un campo eléctrico, una diferencia de potencial o incluso el propio instrumento de medida— puede destruir el orden electrónico. Por ese motivo, aunque el cristal de Wigner fue propuesto teóricamente hace casi un siglo, su observación directa ha sido excepcional y siempre limitada a señales indirectas.

Además, la mayoría de las técnicas de microscopía electrónica tradicionales alteran el sistema que intentan medir. En el caso de los cristales de Wigner, esa interferencia es suficiente para borrar la estructura buscada. De ahí la importancia de desarrollar métodos capaces de ver sin perturbar, una condición clave que este nuevo trabajo ha conseguido cumplir.

Un material cuántico diseñado para atrapar electrones

El sistema estudiado consiste en una sola capa atómica de cloruro de iterbio colocada sobre un sustrato de grafito. Esta combinación no es arbitraria. Al entrar en contacto ambos materiales, se produce una transferencia espontánea de electrones desde el grafito hacia la monocapa, concentrándolos en bandas electrónicas extremadamente planas asociadas a electrones 4f.

Estas bandas planas reducen drásticamente la movilidad de los electrones, haciendo que la repulsión eléctrica entre ellos domine su comportamiento. El resultado es un sistema bidimensional fuertemente correlacionado, ideal para que emerja un cristal de Wigner. Los cálculos realizados por los investigadores muestran una densidad electrónica muy elevada, del orden de 0,21 electrones por nanómetro cuadrado, una cifra excepcional para este tipo de fases.

Este proceso genera además huecos en el grafito subyacente, creando una estructura acoplada electrón-hueco. Esa interacción añade riqueza física al sistema y lo convierte en una plataforma especialmente prometedora para explorar nuevos estados colectivos de la materia cuántica, más allá de los ya conocidos.

Ver lo invisible: una nueva forma de microscopía

Uno de los aspectos más relevantes del trabajo es el uso de microscopía de fuerza atómica q-Plus, una técnica que minimiza las perturbaciones electrostáticas entre la punta del microscopio y la muestra. A diferencia de la microscopía de efecto túnel, que requiere aplicar un voltaje continuo, este método permite obtener imágenes con resolución subatómica sin alterar significativamente la distribución electrónica.

Gracias a esta aproximación, los investigadores lograron visualizar directamente la red del cristal de Wigner, algo que no aparecía en las imágenes obtenidas con microscopía convencional. La estructura se reveló con claridad en los mapas de fuerza y quedó confirmada mediante transformadas rápidas de Fourier, que mostraron los patrones de orden característicos.

Según explica Lifeng Yin, uno de los autores, “este enfoque nos permitió obtener una imagen directa del cristal de Wigner formado por los electrones 4f transferidos”. El momento en que la red comenzó a aparecer durante el escaneo fue especialmente significativo, ya que la densidad electrónica observada coincidía con las predicciones teóricas del equipo.

Electrones pesados y un cristal excepcionalmente estable

Los electrones observados en este sistema no solo están ordenados, sino que presentan una propiedad poco habitual: una masa efectiva enorme, cientos de veces superior a la de un electrón libre. Esta característica es típica de los llamados fermiones pesados y refuerza el dominio de las interacciones electrón-electrón sobre el movimiento individual.

En palabras de Jian Shen, coautor del estudio, “estos electrones están altamente localizados y muestran una repulsión coulombiana muy fuerte, lo que les confiere una masa efectiva enorme”. Esta combinación explica por qué el cristal de Wigner observado es especialmente robusto, con una temperatura de fusión inusualmente alta para este tipo de fases.

Otro aspecto notable es que el cristal se forma sin necesidad de ajustes externos, como campos eléctricos o compuertas electrostáticas, que suelen ser imprescindibles en otros sistemas bidimensionales. Aquí, la propia arquitectura del material induce el orden electrónico de forma natural, lo que simplifica enormemente su estudio experimental.

Una nueva plataforma para explorar física cuántica exótica

El sistema desarrollado ofrece una alternativa a otros materiales de bandas planas, como el grafeno retorcido, que requieren un control extremadamente preciso. En este caso, la transferencia interfacial de carga actúa como un mecanismo intrínseco para alcanzar altas densidades electrónicas, del orden de 10¹³ portadores por centímetro cuadrado, superiores a las habituales en dispositivos con compuertas.

Esto permite estudiar con mayor detalle la competencia entre energía cinética y correlación electrónica, uno de los problemas centrales de la física del estado sólido. Además, la posibilidad de modificar el material —cambiando el halógeno o el sustrato— abre la puerta a ajustar la densidad electrónica y explorar diferentes fases cuánticas.

Según señala Chunlei Gao, “nuestro enfoque proporciona un entorno nativo para ajustar, explorar e investigar fenómenos de muchos cuerpos”. En ese sentido, el cristal de Wigner observado no es solo un resultado aislado, sino el primer paso hacia un mapa mucho más amplio de estados cuánticos correlacionados.

Los siguientes pasos

El descubrimiento deja abiertas múltiples líneas de investigación. Una de las más intrigantes es el estudio de la capa de huecos que queda en el grafito, acoplada al cristal electrónico. Este sistema combinado podría dar lugar a nuevos estados colectivos, como cristales de excitones u otras fases híbridas aún no descritas.

Los investigadores planean complementar estas observaciones con técnicas como espectroscopía fotoelectrónica y medidas de transporte, que permitan acceder a propiedades dinámicas del sistema. También se explorarán variantes del material para ampliar el diagrama de fases accesible.

Más allá de sus posibles aplicaciones futuras, el valor principal del hallazgo reside en haber convertido en observable directo un fenómeno que durante décadas fue casi invisible para los experimentos, consolidando un nuevo capítulo en el estudio de la materia cuántica.