Líquido con espín cuántico, un nuevo y exótico estado de la materia
FÍSICA.
Tras décadas de búsqueda, todo apunta a que se ha encontrado un nuevo estado exótico de la materia. Un equipo internacional de investigación presenta pruebas convincentes de esto.
Diana Kirschbaum en el laboratorio que Silke Bühler-Paschen dirige en la Universidad Tecnológica de Viena. Foto: Angelika Bosak / TU Wien.
Desde la década de 1970, se venía especulando sobre si podrían existir materiales que presentaran una forma muy particular de desorden magnético, los llamados líquidos con espín cuántico.
Tales materiales son de gran interés por varias razones. Podrían ser la clave para desarrollar nuevos tipos de superconductores y abrir nuevas posibilidades en el campo de la computación cuántica y tecnologías afines. Pero los líquidos con espín cuántico reales han resultado ser extremadamente difíciles de encontrar. Se han realizado muchos experimentos, sobre todo en materiales bidimensionales. Pero aunque se han encontrado en ellos algunas características propias de un líquido con espín cuántico, nunca ha habido una plena concordancia entre el experimento y la teoría.
Ahora, un equipo internacional integrado por científicos de la Universidad Tecnológica de Viena (TU Wien) en Austria, la Universidad Rice en Estados Unidos, la Universidad de Toronto en Canadá, la Universidad Rutgers en Estados Unidos y otras entidades, ha identificado el primer candidato tridimensional convincente de líquido con espín cuántico.
El equipo, integrado, entre otros, por Bin Gao de la Universidad Rice, y Diana M. Kirschbaum y Silke Bühler-Paschen, ambas del Instituto de Física de Estado Sólido, adscrito a la Universidad Tecnológica de Viena, llevó a cabo experimentos con circonato de cerio (Ce₂Zr₂O₇) que revelaron rasgos clave delatadores de este estado, incluidos los llamados fotones emergentes. No se trata de fotones propiamente dichos, sino de excitaciones magnéticas dentro del material que se comportan de una forma sorprendentemente similar a como lo hacen los fotones.
En los imanes ordinarios, los espines (el momento angular mecánico cuántico de las partículas) se alinean en patrones regulares. Por ejemplo, en un ferroimán, todos los espines apuntan en la misma dirección por debajo de una determinada temperatura crítica.
Pero también hay materiales en los que los espines tienden a evitar establecerse en una configuración estática. En vez de eso, permanecen en un estado de fluctuación cuántica constante. En ese sentido, se comportan como una forma líquida de magnetismo, sin ningún orden fijo. Un líquido con espín cuántico no es un líquido en el sentido tradicional, sino un cristal sólido peculiar. El término "líquido" se refiere a la ausencia de orden magnético en el sistema de espines.
Aunque los espines individuales de un sistema de este tipo permanecen desordenados y apuntan en distintas direcciones, siguen estando entrelazados desde el punto de vista de la mecánica cuántica. Sus direcciones parecen aleatorias, pero en el fondo están relacionadas: la medición de un espín puede afectar al estado de los demás. Este entrelazamiento cuántico es lo que hace de los líquidos con espín cuántico una plataforma tan prometedora para futuras tecnologías cuánticas.
Gao, Kirschbaum, Bühler-Paschen y sus colegas exponen los detalles técnicos de su hallazgo en la revista académica Nature Physics, bajo el título “Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice”.
Por: Redacción.
Sitio Fuente: NCYT de Amazings