Em 1934, o físico Eugene Wigner fez uma previsão teórica baseada na mecânica quântica que por 87 anos não foi vista.

A teoria sugeria como um metal que normalmente conduz eletricidade poderia se transformar em um isolante não condutor quando a densidade dos elétrons fosse reduzida. Wigner teorizou que quando os elétrons nos metais são levados a temperaturas ultracold, esses elétrons seriam congelados em seus rastros e formariam uma estrutura rígida, estrutura não condutora de eletricidade - um cristal - em vez de girar a milhares de quilômetros por segundo e criar uma corrente elétrica. Desde que ele descobriu, a estrutura foi cunhada como Wigner Crystal e foi observada pela primeira vez em 1979.

O que permaneceu teimosamente esquivo para os físicos, Contudo, tem sido a fusão do estado do cristal em um líquido em resposta às flutuações quânticas. Pelo menos, era:agora, quase 90 anos depois, uma equipe de físicos co-liderada por Hongkun Park e Eugene Demler na Faculdade de Artes e Ciências finalmente documentou experimentalmente essa transição.

O trabalho é descrito em um novo estudo publicado na revista. Natureza e marca um grande passo em direção à criação de um sistema para estudar esses tipos de transições entre estados da matéria no nível quântico, um gol há muito procurado em campo.

"Isso está bem na fronteira da matéria de mudança de material parcialmente quântico para material parcialmente clássico e tem muitos fenômenos e propriedades incomuns e interessantes, "disse Eugene Demler, um autor sênior no papel. "Os próprios cristais foram vistos, mas isso, tipo de, transição primitiva - quando a mecânica quântica e as interações clássicas estão competindo entre si - não foi vista. Demorou 86 anos. "

Liderado por Park e Demler, a equipe de pesquisa se concentrou em observar os cristais de Wigner e suas transições de fase no estudo. Na quimica, física, e termodinâmica, as transições de fase acontecem quando uma substância muda de um sólido, líquido, ou gás para um estado diferente. Quando as flutuações quânticas próximas da temperatura do zero absoluto conduzem essas transições, eles são chamados de transições de fase quântica. Acredita-se que essas transições quânticas desempenhem um papel importante em muitos sistemas quânticos.

No caso de um cristal Wigner, a transição cristal-líquido acontece a partir de uma competição entre os aspectos clássicos e quânticos dos elétrons - o primeiro dominando na fase sólida, em que os elétrons são "parecidos com partículas, "e o último dominando no líquido, em que os elétrons são "semelhantes a ondas". Para um único elétron, a mecânica quântica nos diz que a natureza da partícula e da onda são complementares.

"É impressionante que, em um sistema de muitos elétrons interagindo, esses diferentes comportamentos se manifestam em fases distintas da matéria, "disse Park." Por essas razões, a natureza da transição elétron sólido-líquido atraiu um tremendo interesse teórico e experimental. "

Os cientistas de Harvard relatam o uso de uma nova técnica experimental desenvolvida por You Zhou, Jiho Sung, e Elise Brutschea - pesquisadores do Park Research Group e principais autores do artigo - para observar essa transição de sólido para líquido em bicamadas semicondutoras atomicamente finas. Em geral, A cristalização de Wigner requer densidade de elétrons muito baixa, tornando sua realização experimental um grande desafio experimental. Ao construir duas camadas de elétrons interagindo a partir de dois semicondutores atomicamente finos, experimentalistas criaram uma situação em que a cristalização é estabilizada em densidades mais altas.

Para ver a transição, os pesquisadores usaram um método chamado espectroscopia de excitons. Eles usam luz para excitar um elétron no sistema e ligá-lo à vacância de elétrons, ou buraco, deixa para trás, formando um par elétron-buraco semelhante ao hidrogênio, conhecido como exciton. Este par interage com os outros elétrons do material e modifica suas propriedades para que possam ser vistos opticamente.

As descobertas do jornal foram em grande parte acidentais e vieram como uma surpresa, de acordo com os pesquisadores. O grupo Park partiu inicialmente em uma direção diferente e ficou intrigado quando notou que os elétrons em seu material exibiam comportamento isolante. Eles consultaram teóricos do laboratório de Demler e logo perceberam o que tinham.

Os pesquisadores planejam usar seu novo método para continuar a investigar outras transições de fase quântica.

"Agora temos uma plataforma experimental onde todas essas previsões [de transição de fase quântica diferente] agora podem ser testadas, "Demler disse.