WIGNER DE NUEVO por el Prof. Dr. D. Alberto Requena Rodríguez, académico de número

Menos mal que los investigadores no se guían por los parámetros propios de los ajenos a la investigación, que solamente se mueven por los intereses económicos implicados en los descubrimientos. Si así fuera, no saldríamos nunca de lo inmediato y los avances nunca tendrían lugar. Lo aparentemente inútil en el momento, suele repercutir a largo plazo, en el que la economía ni cree ni se le espera, cuando las necesidades afloran, a veces, de forma violenta. Una cosa es que los tomates, sepan a tomate, por cierto, tópico no logrado, por muchas manipulaciones a que se sometan las solanáceas y, otra bien distinta, es apostar por la Ciencia Básica, como estudiar la disposición de los electrones en las moléculas o en los sólidos, para explicar sus propiedades y así, ahondando en el conocimiento, poder diseñar nuevos materiales, hoy inimaginables, pongamos por caso. Hay que hacer constar que esta interpretación alternativa de la investigación es la que hace que unos países estén en cabeza, los que son capaces de adentrarse en el futuro y en cosas hoy, aparentemente inservibles, y los cortoplacistas apegados a la industria local que los convence de que resuelvan los problemas que los productores tienen y que pretenden, de forma permanente y gratuita, que los investigadores oficiales les resuelvan aunque esos problemas deberían resolverlos las consultoras, previo o post pago de los servicios. Las agencias locales llaman a las acciones de consultoría, “investigación de interés regional”, como si poner puertas al mundo, tuviera algún interés. En el fondo, una versión actualizada del “que investiguen otros”, “nosotros a lo nuestro y no perdamos tiempo”. Así nos va.

En 1934 Eugene Wigner, uno de los promotores de la Mecánica Cuántica, predijo la existencia de un estado en el que todos los electrones de un material se sitúan en torno a los puntos de una red, constituyendo una especie de cristal electrónico. Empleó aproximaciones muy usuales en la física del estado sólido, que conforman lo que se ha denominado gelatina, consistente en un gas de electrones que se comporta como un ente homogéneo, frente a un continuo de carga positiva y que ofrece una densidad de carga igual a la media de la de los electrones, garantizando la neutralidad del sistema, condición sin equa non de la materia cargada y conocida. Recordemos que la carga es una propiedad fundamental de la materia, pero solamente la apreciamos cuando provocamos la separación de cargas en ella, de lo contrario, la madera o el metal o cualquier otro material, aparentemente es neutro y se comporta, en condiciones normales, como tal.

La teoría que se utiliza es la aproximación teórica denominada de Hartree-Fock, en honor a sus promotores, hoy superada para los refinamientos que se es capaz de describir, pero que tiene la virtud de ser muy útil para comprender, al menos cualitativamente, el comportamiento a nivel atómico molecular y también de este gas de electrones. En este marco se interpreta que cuando la densidad de electrones es baja (poco perturbado) el sistema minimiza la energía (todo en el universo tiende a situarse en el punto de mínima energía, recuérdelo cuando se asome a la ventana, antes de que pueda ser irremediable) y la forma que tiene el electrón de minimizar su energía es polarizar su giro y localizarse, de forma que en este estado resulta bien descrito por un oscilador armónico que describe su oscilación en torno al sitio de la red y esto da lugar a una conformación de la red. Así se pueden deducir las energías de cohesión de los metales alcalinos y se explican muy bien las densidades electrónicas típicas de los metales. Consecuencia: en 2013 se fabricó un cristal de Wigner. Se han localizado los electrones en la superficie de gotas de Helio.

Se puede pensar que construir un cristal de Wigner es tan simple como enfriar el sistema. Pero los electrones se repelen entre si y enfriando disminuiría su energía y se congelaría la superficie, como ocurre con el agua cuando forma el hielo. Pero los electrones obedecen las leyes de la Cuántica y se comportan como ondas, con lo que en lugar de tener posiciones fijas en una red ordenada, los electrones se comportan como ondas, tienden a chapotear por los alrededores y chocar con sus vecinos. De esta forma, el cristal de electrones resulta ser como un charco.

Investigadores de la Universidad de Harvard, liderados por Zhou, que trabajaban en el comportamiento de los electrones en forma de sandwich de hojas finas de semiconductor, separadas por aislante y al enfriar los semiconductores de sandwich por debajo de 230 ºC y analizaban lo que ocurría con el aumento de los electrones en las capas. La observación fue que el numero de electrones de cada capa se mantenía, misteriosamente. Algunos electrones no se movían. Rescató la idea de Wigner de superficies bidimensionales que adoptan patrones similares en pilas triangulares. En este cristal los electrones no se movían. Park cuenta que después de lograr el cristal de Wigner obligaron a la fusión, forzando a los electrones a quedar descritos por su naturaleza cuántica, pasando a una fase de transición cuántica similar a la de un cubito que se hace agua, pero en el caso de los electrones, sin aplicar calor. Se confirmaba experimentalmente la predicción de la teoría. Con un láser obligaron a las capas de semiconductores a crear entidades como partículas, denominadas excitones y el material los reemitiría o reflejaría y analizando esa radiación, se deduciría cuando esa radiación había interaccionado con electrones libres o con electrones congelados en el cristal de Wigner. Como Park asegura, vieron la estructura triangular del cristal.

En otro estudio alternativo llevado a cabo en Suiza en el Swiss Federal Institute of Technology Zurich, liderado por Imamoglu, observaron también los cristales de Wigner. Estos estudios ponen de relieve y arrojan luz sobre el problema de la interacción de muchos electrones. Al ponerlos juntos, interaccionan y “se empujan” y resulta imposible mantenerlos en ordenados en fila. Seguimos siendo capaces de resolver solamente con papel y lápiz, el átomo de hidrógeno. En átomos con mas de un electrón el problema de la interacción resulta intratable. Sigue siendo uno de los problemas de mayor envergadura en la Física y en la Química. Por grandes, capaces  veloces que sean los ordenadores los problemas de muchas partículas se resisten.

Los retos que se enfrentan ahora son de envergadura, desde la fusión de los cristales de Wigner hasta la explicación de por qué a elevadas temperaturas y para un elevado número de electrones, muy por encima de las y los tratados teóricamente, se siguen las predicciones teóricas. Nuevas cuestiones quedan encerradas todavía y requieren un estudio detallado. Como siempre, nuevos descubrimientos traen de la mano nuevos interrogantes. La colaboración teoría-experimento es como diría Demler, “disponer de las soluciones al final del libro”, una excelente pista, por tanto. En el fondo es una guía en doble sentido, aportando sugerencias para nuevos estudios.