Observan nuevo estado cuántico de la materia

Un nuevo estado de la materia ha sido descubierto en la física cuántica, el campo científico que describe el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas para dilucidar sus propiedades.

Un equipo de la Universidad de Montreal ha documentado en la revista Physical Review X un "estado fundamental líquido de espín cuántico" en un material magnético creado en laboratorio: Ce2Zr2O7, un compuesto compuesto de cerio, circonio y oxígeno.

En física cuántica, el espín es una propiedad interna de los electrones ligada a su rotación. Es el espín lo que le da al material en un imán sus propiedades magnéticas.

En algunos materiales, el espín da como resultado una estructura desorganizada similar a la de las moléculas en un líquido, de ahí la expresión "líquido de espín".

En general, un material se vuelve más desorganizado a medida que aumenta su temperatura. Este es el caso, por ejemplo, cuando el agua se convierte en vapor. Pero la característica principal de los líquidos de espín es que permanecen desorganizados incluso cuando se enfrían hasta el cero absoluto (-273 °C).

Los líquidos de espín permanecen desorganizados porque la dirección del espín continúa fluctuando a medida que el material se enfría en lugar de estabilizarse en un estado sólido, como ocurre en un imán convencional, en el que todos los espines están alineados.

Imagina un electrón como una pequeña brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo. En los imanes convencionales, los espines de los electrones están todos orientados en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, creando lo que se conoce como "fase ferromagnética".

Pero en los líquidos de espín cuántico, los electrones se colocan en una red triangular y forman un "ménage à trois" caracterizado por una intensa turbulencia que interfiere con su orden. El resultado es una función de onda entrelazada y sin orden magnético.

"Cuando se agrega un tercer electrón, los giros de los electrones no pueden alinearse porque los dos electrones vecinos siempre deben tener giros opuestos, creando lo que llamamos frustración magnética", explicó en un comunicado el autor principal Andrea Bianchi, profesor de Física. "Esto genera excitaciones que mantienen el desorden de espines y por tanto el estado líquido, incluso a muy bajas temperaturas".

Ce2Zr2O7 es un material a base de cerio con propiedades magnéticas. "Se conocía la existencia de este compuesto", dijo Bianchi. "Nuestro avance fue crearlo en una forma pura única. Usamos muestras fundidas en un horno óptico para producir una disposición triangular casi perfecta de átomos y luego verificamos el estado cuántico".

Fue este triángulo casi perfecto lo que permitió a Bianchi y su equipo en la UdeM crear una frustración magnética en Ce2Zr2O7. Trabajando con investigadores de las universidades McMaster y Colorado State, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, midieron la difusión magnética del compuesto.

"Nuestras mediciones mostraron una función de partículas superpuestas, por lo tanto, no hay picos de Bragg, una clara señal de la ausencia del orden magnético clásico", dijo Bianchi. "También observamos una distribución de giros con direcciones que fluctúan continuamente, lo cual es característico de los líquidos de giro y la frustración magnética. Esto indica que el material que creamos se comporta como un verdadero líquido de giro a bajas temperaturas".

Después de corroborar estas observaciones con simulaciones por computadora, el equipo concluyó que, de hecho, estaban presenciando un estado cuántico nunca antes visto.

"Identificar un nuevo estado cuántico de la materia es un sueño hecho realidad para todo físico", dijo Bianchi. "Nuestro material es revolucionario porque somos los primeros en demostrar que puede presentarse como un líquido de espín. Este descubrimiento podría abrir la puerta a nuevos enfoques en el diseño de computadoras cuánticas".

El magnetismo es un fenómeno colectivo en el que los electrones de un material giran todos en la misma dirección. Un ejemplo cotidiano es el ferromagnético, que debe sus propiedades magnéticas a la alineación de espines. Los electrones vecinos también pueden girar en direcciones opuestas. En este caso, los espines todavía tienen direcciones bien definidas pero no hay magnetización. Los imanes frustrados se sienten frustrados porque los electrones vecinos intentan orientar sus espines en direcciones opuestas, y cuando se encuentran en una red triangular, ya no pueden establecerse en una disposición estable común. El resultado: un imán frustrado.

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