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    Los átomos ultrafríos apuntan hacia un comportamiento magnético intrigante

    Cada punto verde representa un átomo de litio individual. Los investigadores utilizan un microscopio de gas cuántico para obtener imágenes de los átomos, que se han enfriado a una fracción de grado por encima del cero absoluto y se han atrapado en su lugar mediante láseres. Crédito:Peter Brown, Universidad de Princeton.

    Usando átomos enfriados a solo mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton ha descubierto un comportamiento magnético intrigante que podría ayudar a explicar cómo funciona la superconductividad a alta temperatura.

    Los investigadores encontraron que la aplicación de un fuerte campo magnético a estos átomos ultrafríos hacía que se alinearan en un patrón alterno y se alejaran unos de otros. El comportamiento, que los investigadores llaman "antiferromagnetismo inclinado, "es consistente con las predicciones de un modelo de décadas de antigüedad utilizado para comprender cómo surge la superconductividad en ciertos materiales. Los resultados fueron publicados en la revista Ciencias .

    "Nadie ha observado antes este tipo de comportamiento en este sistema, "dijo Waseem Bakr, profesor asistente de física en la Universidad de Princeton. "Usamos láseres para crear cristales artificiales y luego exploramos lo que está sucediendo en detalle microscópico, que es algo que simplemente no puedes hacer en un material cotidiano ".

    El experimento, realizado en una mesa en el Jadwin Hall de Princeton, permite la exploración de un modelo que describe cómo los comportamientos cuánticos dan lugar a la superconductividad, un estado en el que la corriente puede fluir sin resistencia y que es apreciado por la transmisión de electricidad y la fabricación de potentes electroimanes. Si bien se comprende la base de la superconductividad convencional, los investigadores todavía están explorando la teoría de la superconductividad a alta temperatura en materiales a base de cobre llamados cupratos.

    Debido a la complejidad de los cupratos, Es difícil para los investigadores estudiarlos directamente para descubrir qué propiedades conducen a la capacidad de conducir corriente sin resistencia. En lugar de, construyendo un cristal sintético usando láseres y átomos ultrafríos, los investigadores pueden hacer preguntas que de otro modo serían imposibles de abordar.

    Bakr y su equipo enfriaron átomos de litio a solo unas diez mil millonésimas de grado por encima del cero absoluto, una temperatura en la que los átomos siguen las leyes de la física cuántica. Los investigadores utilizaron láseres para crear una rejilla para atrapar los átomos ultrafríos en su lugar. La cuadrícula, conocido como celosía óptica, puede pensarse como una bandeja de huevos virtual creada completamente a partir de luz láser en la que los átomos pueden saltar de un pozo al siguiente.

    El equipo utilizó la configuración para observar las interacciones entre átomos individuales, que puede comportarse de manera análoga a los imanes diminutos debido a una propiedad cuántica llamada espín. El giro de cada átomo puede orientarse hacia arriba o hacia abajo. Si dos átomos aterrizan en el mismo sitio, experimentan una fuerte interacción repulsiva y se dispersan de modo que solo hay un átomo en cada pozo. Los átomos en los pozos vecinos de la bandeja de huevos tienden a tener sus espines alineados uno frente al otro.

    Un equipo dirigido por investigadores de la Universidad de Princeton manipuló la dirección de giro de átomos individuales a temperaturas muy bajas utilizando fuertes campos magnéticos. Descubrieron un comportamiento curioso llamado "antiferromagnetismo inclinado" donde los espines prefieren alinearse en un plano bidimensional en ángulo recto con el campo. El comportamiento se predice mediante un modelo utilizado para describir cómo funcionan los superconductores de alta temperatura. Crédito:Peter Brown, Universidad de Princeton.

    Este efecto, llamado antiferromagnetismo, ocurre a temperaturas muy bajas debido a la naturaleza cuántica del sistema frío. Cuando los dos tipos de poblaciones de espín son aproximadamente iguales, los giros pueden rotar en cualquier dirección siempre que los giros vecinos permanezcan anti-alineados.

    Cuando los investigadores aplicaron un fuerte campo magnético a los átomos, vieron algo curioso. Usando un microscopio de alta resolución que puede obtener imágenes de átomos individuales en los sitios de la red, el equipo de Princeton estudió el cambio en las correlaciones magnéticas de los átomos con la fuerza del campo. En presencia de un gran campo, los giros vecinos permanecieron anti-alineados pero se orientaron en un plano en ángulo recto con el campo. Echando un vistazo más de cerca Los investigadores vieron que los átomos alineados de manera opuesta se inclinaban ligeramente en la dirección del campo, de modo que los imanes seguían estando en la cara opuesta, pero no estaban alineados con precisión en el plano plano.

    Las correlaciones de espín se habían observado el año pasado en experimentos en Harvard, el Instituto de Tecnología de Massachusetts, y Universidad Ludwig Maximilian de Munich. Pero el estudio de Princeton es el primero en aplicar un campo fuerte a los átomos y observar el antiferromagnet inclinado.

    Las observaciones fueron predichas por el modelo de Fermi-Hubbard, creado para explicar cómo los cupratos podrían ser superconductores a temperaturas relativamente altas. El modelo de Fermi-Hubbard fue desarrollado por Philip Anderson, Profesor Joseph Henry de Física de Princeton, Emeritus, quien ganó un Premio Nobel de Física en 1977 por su trabajo en investigaciones teóricas de la estructura electrónica de sistemas magnéticos y desordenados.

    "Comprender mejor el modelo de Fermi-Hubbard podría ayudar a los investigadores a diseñar materiales similares con propiedades mejoradas que puedan transportar corriente sin resistencia, "Dijo Bakr.

    El estudio también analizó lo que sucedería si se eliminaran algunos de los átomos de la bandeja de huevos, introduciendo agujeros en la rejilla. Los investigadores encontraron que cuando se aplicó el campo magnético, la respuesta coincidió con las mediciones realizadas en cupratos. "Esto es más evidencia de que el modelo de Fermi-Hubbard propuesto es probablemente el modelo correcto para describir lo que vemos en los materiales, "Dijo Bakr.

    El equipo de Princeton incluía al estudiante graduado Peter Brown, quien realizó muchos de los experimentos y es el primer autor del artículo. Contribuciones adicionales a los experimentos vinieron de Debayan Mitra y Elmer Guardado-Sanchez, ambos estudiantes de posgrado en física, Peter Schauss, un investigador asociado en física, y Stanimir Kondov, un ex investigador postdoctoral que ahora se encuentra en la Universidad de Columbia.

    El estudio incluyó contribuciones a la comprensión de la teoría de Ehsan Khatami de la Universidad Estatal de San José, Thereza Paiva en la Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi en la Universidad Estatal de Ohio, y David Huse, Profesor de Física Cyrus Fogg Brackett de Princeton.

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