En 1973, El físico y más tarde premio Nobel Philip W. Anderson propuso un estado extraño de la materia:el líquido de espín cuántico (QSL). A diferencia de los líquidos cotidianos que conocemos, la QSL en realidad tiene que ver con el magnetismo, y el magnetismo tiene que ver con el giro.

El espín de electrones desordenado produce QSL

¿Qué hace un imán? Fue un misterio duradero pero hoy sabemos finalmente que el magnetismo surge de una propiedad peculiar de las partículas subatómicas, como electrones. Esa propiedad se llama "giro, "y la mejor manera, aunque tremendamente insuficiente, de pensar en ello es como el juguete de un niño con la peonza giratoria.

Lo importante para el magnetismo es que el espín convierte cada uno de los miles de millones de electrones de un material en un imán minúsculo con su propia "dirección" magnética (piense en los polos norte y sur de un imán). Pero los giros de los electrones no están aislados; interactúan entre sí de diferentes maneras hasta que se estabilizan para formar varios estados magnéticos, concediendo así al material al que pertenecen propiedades magnéticas.

En un imán convencional, los giros que interactúan se estabilizan, y las direcciones magnéticas de cada electrón se alinean. Esto da como resultado una formación estable.

Pero en lo que se conoce como un imán "frustrado", los giros de los electrones no pueden estabilizarse en la misma dirección. En lugar de, fluctúan constantemente como un líquido, de ahí el nombre de "líquido de espín cuántico".

Líquidos de centrifugado cuántico en tecnologías futuras

Lo interesante de las QSL es que se pueden utilizar en varias aplicaciones. Porque vienen en diferentes variedades con diferentes propiedades, Las QSL se pueden utilizar en computación cuántica, telecomunicaciones superconductores, espintrónica (una variación de la electrónica que usa espín de electrones en lugar de corriente), y una serie de otras tecnologías basadas en la tecnología cuántica.

Pero antes de explotarlos, primero tenemos que obtener una comprensión sólida de los estados de QSL. Para hacer esto, los científicos tienen que encontrar formas de producir QSL bajo demanda, una tarea que hasta ahora ha resultado difícil, con solo unos pocos materiales en oferta como candidatos QSL.

Un material complejo puede resolver un problema complejo.

Publicando en PNAS , Los científicos dirigidos por Péter Szirmai y Bálint Náfrádi en el laboratorio de László Forró en la Facultad de Ciencias Básicas de la EPFL han producido y estudiado con éxito una QSL en un material muy original conocido como EDT-BCO. El sistema fue diseñado y sintetizado por el grupo de Patrick Batail en la Université d'Angers (CNRS).

La estructura de EDT-BCO es lo que hace posible crear una QSL. El electrón gira en el EDT-BCO forma dímeros organizados triangularmente, cada uno de los cuales tiene un momento magnético de espín 1/2, lo que significa que el electrón debe girar completamente dos veces para volver a su configuración inicial. Las capas de dímeros spin-1/2 están separadas por una subred de aniones carboxilato centrada por un biciclooctano quiral. Los aniones se denominan "rotores" porque tienen grados de libertad conformacionales y rotacionales.

El componente de rotor único en un sistema magnético hace que el material sea especial entre los candidatos QSL, representando una nueva familia de materiales. "El sutil desorden provocado por los componentes del rotor introduce un nuevo control en el sistema de giro, "dice Szirmai.

Los científicos y sus colaboradores emplearon un arsenal de métodos para explorar el EDT-BCO como un candidato de material QSL:cálculos de teoría funcional de densidad, mediciones de resonancia de espín de electrones de alta frecuencia (una marca registrada del laboratorio de Forró), resonancia magnética nuclear, y espectroscopía de espín muónico. Todas estas técnicas exploran las propiedades magnéticas de EDT-BCO desde diferentes ángulos.

Todas las técnicas confirmaron la ausencia de un orden magnético de largo alcance y la aparición de una QSL. En breve, EDT-BCO se une oficialmente a las filas limitadas de materiales QSL y nos lleva un paso más hacia la próxima generación de tecnologías. Como dice Bálint Náfrádi:"Más allá de la soberbia demostración del estado QSL, nuestro trabajo es de gran relevancia, porque proporciona una herramienta para obtener materiales QSL adicionales a través de moléculas de rotor funcionales diseñadas a medida ".