Físicos de FSU Describen Fase Cuántica Híbrida de Electrones Sólidos y Fluidos

Un equipo de físicos de la Universidad Estatal de Florida (FSU) ha documentado una fase cuántica novedosa en la que el comportamiento de los electrones transiciona entre un estado de solidez cristalina y uno análogo a un fluido. La investigación, publicada en la revista npj Quantum Materials, detalla una transición en la que los electrones oscilan entre una estructura ordenada y un movimiento desordenado, un fenómeno que desafía las concepciones actuales de la materia. Para sustentar sus hallazgos, el equipo de la FSU utilizó herramientas computacionales avanzadas, incluyendo recursos del programa ACCESS de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF).

El descubrimiento se centra en el concepto teórico del cristal de Wigner generalizado, postulado inicialmente por Eugene Wigner en 1934. Los investigadores demostraron que, bajo una sintonización cuántica precisa, estas redes electrónicas ordenadas pueden fundirse en una fase líquida, permitiendo el movimiento libre de los electrones. El grupo de investigación, que incluye a Cyprian Lewandowski, Hitesh Changlani y Aman Kumar, empleó metodologías rigurosas como la diagonalización exacta y simulaciones de Monte Carlo para trazar los diagramas de fase de este sistema. Al modular las interacciones dentro de una superred moiré bidimensional, demostraron la coexistencia de comportamientos electrónicos sólidos y fluidos.

De manera notable, los investigadores identificaron un estado intermedio, denominado estado de "pinball", en el cual una porción de los electrones permanece fija mientras que otros se mueven de forma caótica. Este estado híbrido exhibe simultáneamente características tanto aislantes como conductoras, representando un efecto mecánico cuántico no reportado previamente para la densidad electrónica estudiada. A diferencia del cristal de Wigner tradicional, que se limita a una estructura de celosía triangular, el cristal de Wigner generalizado permite la formación de diversas geometrías cristalinas, como patrones de rayas o estructuras de panal de abeja.

La capacidad de observar estas complejas dinámicas sin la necesidad de temperaturas criogénicas extremas, un requisito común en la física de la materia condensada, constituye un avance significativo. Desde una perspectiva tecnológica, la manipulación de estas fases electrónicas podría tener repercusiones sustanciales para el desarrollo de tecnologías cuánticas, especialmente en la creación de cúbits más robustos esenciales para la computación cuántica tolerante a fallos. La alternancia entre estados de materia a nivel electrónico, pasando de conductor a aislante, ofrece una ventana única al comportamiento de estas partículas fundamentales, complementando esfuerzos más amplios en el campo como la documentación del "derretimiento" cuántico del cristal de Wigner, un fenómeno que eludió la experimentación directa durante casi noventa años desde la predicción original de Wigner.