Evidencia de un nuevo tipo de material cuántico turbulento sólido de Wigner

Representación técnica de un acero Wigner anisotrópico compuesto por electrones congelados (estabilizados por turbulencia) dispuestos en una red anisotrópica. Crédito: Hussein et al.

Los físicos han estado tratando de determinar los estados fundamentales de los sistemas de electrones bidimensionales a densidades y temperaturas extremadamente bajas durante muchas décadas. Las primeras predicciones teóricas de estos estados fundamentales fueron hechas por los físicos Felix Bloch en 1929 y Eugene Wegener en 1934, quienes sugirieron que las interacciones entre electrones podrían conducir a estados fundamentales previamente no observados.

Investigadores de la Universidad de Princeton llevan varios años realizando estudios en esta área de la física. Su trabajo más reciente apareció en mensajes de revisión físicaevidencia de un nuevo estado predicho por Wigner, conocido como sólido turbulento de Wigner (WS).

“La fase de Wigner predicha, un conjunto ordenado de electrones (el llamado cristal de Wigner, o WS), ha fascinado a los científicos durante décadas”, dijo a Phys.org Mansour Shaigan, investigador principal del estudio. “Su realización experimental es muy desafiante, ya que requiere muestras de muy baja densidad y con parámetros apropiados (gran masa efectiva y pequeña constante dieléctrica) para mejorar el papel de la interacción”.

Para producir con éxito WS cuantitativa o WS en un entorno de laboratorio, los investigadores necesitan muestras de alta pureza y alta calidad. Esto significa que los materiales que utilizan en sus experimentos deben contener la menor cantidad de impurezas, ya que estas impurezas pueden atraer electrones e inducirlos a reorganizarse al azar.

Debido a que satisfacer los requisitos de producción para estos estados es tan desafiante, los estudios previos que analizan los sistemas cuánticos WS, en los que las interacciones electrón-electrón dominan la llamada energía de Fermi, han sido increíblemente raros. El primer WS cuantitativo fue observado en 1999 por Jongsoo Yoon en la Universidad de Princeton y algunos investigadores involucrados en el último estudio, utilizando la heteroestructura 2D de GaAs/AlGaAs.

En su nuevo estudio, el equipo utilizó una muestra 2D limpia y de alta pureza de AlAs (arseniuro de aluminio) con una masa efectiva anisotrópica (es decir, varía cuando se mide en diferentes direcciones) y un Mar de Fermi. En particular, su muestra cumplió muy bien los requisitos para una investigación WS anisotrópica 2D.

“Nuestro modelo es una plataforma casi perfecta para observar la WS cuántica con un campo magnético cero”, dijo Shaigan. “Ahora, resulta que los electrones 2D en AlAs brindan una ventaja adicional, que es la dispersión de banda de energía anisotrópica que conduce a una masa efectiva anisotrópica. Lo que descubrimos es que esta anisotropía se puede manifestar en propiedades de WS como su resistividad y desestabilización a lo largo de diferentes direcciones en el plano.

El material que usaron Shaigan y sus colegas en sus experimentos consiste en un pozo cuántico de AlAs de alta calidad, con muy pocas impurezas y, por lo tanto, bajo desorden. En este pozo cuántico, los electrones están confinados en dos dimensiones.

“Podemos usar el voltaje de la puerta para ajustar la densidad de electrones en nuestra muestra”, dijo Shafayat Hussain, autor principal del artículo, a Phys.org. “Hemos utilizado una combinación de transmisión eléctrica (es decir, mediciones de resistencia) y espectroscopia de CC (es decir, medición de la resistencia diferencial en función del sesgo de la fuente de drenaje de CC) para estudiar un sólido bidimensional heterogéneo de Wigner”.

Las mediciones de resistencia y resistencia diferencial de la muestra del equipo mostraron que en realidad observaron un nuevo WS cuántico en un campo magnético cero, utilizando un sistema de material anisotrópico. En última instancia, esto les permitió revelar los efectos de la anisotropía en el escurridizo pero fascinante estado WS.

“El sólido de Wigner observado exhibe diferentes capacidades de deslizamiento efectivo en diferentes direcciones”, dijo Hussain. “Esto se evidencia por un voltaje de umbral diferente para la desinstalación a lo largo de las diferentes direcciones observadas en nuestros experimentos”.

Es posible que el estado WS anisotrópico observado por este equipo de investigadores sea un estado cuántico completamente nuevo. Esto quiere decir que hasta el momento se sabe muy poco sobre sus propiedades y propiedades.

En el futuro, estos hallazgos recientes podrían inspirar nuevos estudios teóricos y experimentales con el objetivo de comprender mejor este estado cuántico recientemente definido con varianza intrínseca (es decir, con diferentes valores cuando se mide en diferentes direcciones). Estos estudios podrían, por ejemplo, intentar determinar la forma reticular característica del estado.

“Según nuestros resultados experimentales, el diferente comportamiento electrónico a lo largo de diferentes direcciones de WS anisotrópicos también puede ser útil en dispositivos electrónicos”, dijo Hussain. “Tales dispositivos pueden responder de manera diferente dependiendo de la dirección del voltaje aplicado”.

En última instancia, el WS anisotrópico descubierto por este equipo de investigadores podría allanar el camino para el desarrollo de nuevos tipos de dispositivos cuánticos anisotrópicos. En su próximo trabajo, Shaigan, Hussain y sus colegas investigarán la resonancia de microondas para el estado que descubrieron, donde puede brindar más detalles sobre el estado y su anisotropía.

“Por ejemplo, preguntaremos: ¿Muestra WS resonancia, similar a lo que se ha visto en el caso de los WS inducidos por campos magnéticos, con una carga muy pequeña (campos magnéticos altos)?” agregó Shaigan. “El monitoreo de eco será muy útil ya que proporcionará una fuerte evidencia de la fase del WS. Además, sería notable observar la resonancia cuyas frecuencias dependen de la dirección del campo eléctrico aplicado con respecto a la orientación del cristal WS, y arrojaría luz sobre el papel de la anisotropía”.


Los científicos han desarrollado una anisotropía eléctrica tridimensional masiva de un monocristal de MoAlB


más información:
S. Hossain et al., Trastorno bidimensional anisotrópico sólido de Wigner, mensajes de revisión física (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.036601

Jongsoo Yoon et al, Cristalización de Wigner y transición metal-aislante de agujeros bidimensionales en GaAs atB = 0, mensajes de revisión física (2002). DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.1744

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La frase: Evidencia de un nuevo tipo de materia sólida de Wigner cuántica desordenada (3 de agosto de 2022) Recuperado el 4 de agosto de 2022 de https://phys.org/news/2022-08-evidence-disordered-quantum-wigner-solid. html

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