Los materiales cuánticos muestran comportamientos exóticos debido a los efectos de la mecánica cuántica, o cómo actúa la materia en la escala muy pequeña de átomos y partículas subatómicas. Las propiedades tecnológicamente relevantes de los materiales cuánticos resultan de interacciones complejas de carga electrónica, orbital, y el giro y su acoplamiento a la estructura cristalina del material. Por ejemplo, en algunos materiales, los electrones pueden fluir libremente sin ninguna resistencia; este fenómeno, llamada superconductividad, podría aprovecharse para transmitir energía de manera más eficiente. Típicamente, estas propiedades emergen a baja temperatura, donde los cristales muestran una simetría estructural baja (rota).

"No es sorprendente, este régimen de baja temperatura está bien estudiado, "dijo Emil Bozin, físico del Grupo de Dispersión de Rayos X de la División de Física de la Materia Condensada y Ciencia de los Materiales (CMPMS) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE). "Mientras tanto, el régimen de alta temperatura permanece en gran parte inexplorado porque está asociado con una simetría relativamente alta, que se considera poco interesante ".

Pero Bozin y sus colegas han descubierto recientemente estados de simetría local que se rompen a altas temperaturas. Estos estados locales están asociados con orbitales electrónicos (regiones dentro de un átomo donde es más probable que se encuentren electrones) que sirven como "precursores" de elevación de la degeneración orbital (ODL) de lo que sucede a baja temperatura. La degeneración orbital se refiere a cuando los orbitales tienen la misma energía. El levantamiento de esta degeneración significa que algunos orbitales tendrán una energía relativamente más alta y otros una energía más baja.

"Creemos que esos estados locales son de alguna manera facilitadores de las propiedades materiales de interés que se materializan a temperaturas mucho más bajas, "explicó Bozin.

Los científicos observaron por primera vez estos estados locales en 2019 en un material (sulfuro de iridio de cobre) con una transición de metal-aislante y en un superconductor a base de hierro. Ahora, el equipo, que representa a Brookhaven Lab; El Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE; Universidad de Tennessee, Knoxville; y la Universidad de Columbia, los ha encontrado en un aislante que contiene sodio, titanio, silicio, y oxigeno. Este material aislante es uno de los minerales que forman el manto superior de la Tierra. Más allá del interés geológico, es un candidato para líquidos de espín cuántico (QSL), un estado exótico de la materia en el que los espines de los electrones permanecen fluidos hasta las temperaturas más bajas, fluctuando constantemente. Las QSL podrían proporcionar una plataforma material para la computación cuántica, espintrónica (electrónica basada en el espín del electrón en lugar de la carga), superconductividad, y otras tecnologías.

"Nuestros hallazgos sugieren que el comportamiento de este precursor de ODL a alta temperatura puede ser bastante común y debe tenerse en cuenta en estudios teóricos para comprender las propiedades funcionales de los materiales cuánticos". ", dijo el físico Weiguo Yin del Grupo de Teoría de la Materia Condensada de la División CMPMS.

Para sondear la estructura atómica del material, el equipo analizó cómo el material dispersaba neutrones y rayos X. Ambas sondas son necesarias debido a sus diferentes sensibilidades a elementos particulares basados ​​en el peso atómico. A diferencia de los rayos X, los neutrones pueden distinguir elementos ligeros, como el oxigeno. Con los patrones de dispersión de neutrones y rayos X, la disposición local de los átomos se puede deducir a través de la función de distribución de pares atómicos (PDF), que describe las distancias entre diferentes átomos en una muestra. Usando software, Los científicos pueden entonces encontrar el modelo estructural que mejor se adapte a la función de PDF atómica experimental.

Su análisis reveló firmas de simetría local que se rompían muy por encima de la temperatura a la que el material experimenta una transición estructural para formar dímeros de titanio (dos moléculas unidas entre sí). Cuando el material se calienta, estos dímeros parecen desaparecer, pero en serio, se quedan evolucionando hacia un estado dual ODL.

"La alta temperatura, estado de alta simetría cristalográfica asume la presencia de degeneración orbital, pero la degeneración orbital puede no ser energéticamente favorable, "dijo Bozin." Como vemos aquí, los dímeros se reemplazan, y lo que queda es una estructura cristalina localmente distorsionada. Esta distorsión elimina la degeneración de dos orbitales y permite que el sistema entre en un estado de menor energía ".

Próximo, el equipo planea adaptar las propiedades orbitales en este material, por ejemplo, sustituyendo el titanio por rutenio, lo que cambiará el conteo de electrones y se prevé que proporcione una mejor QSL. También verán si los precursores ODL existen en otros materiales y cómo se relacionan con fenómenos de interés, como la superconductividad. En particular, les gustaría explorar sistemas con diferentes grados de acoplamiento espín-órbita, que es un mecanismo alternativo para ODL.

"El descubrimiento de estos precursores orbitales nos ayuda a comprender mejor la competencia entre diferentes estados cuánticos de baja temperatura, una comprensión que nos permitirá inclinar el campo de juego para obtener materiales con las propiedades deseadas de baja temperatura," "dijo Simon Billinge, un físico en el Grupo de Dispersión de Rayos X de la División CMPMS y profesor de ciencia e ingeniería de materiales y de física aplicada y matemáticas en la Universidad de Columbia.