Fig. 1 Diferencias entre imanes ordinarios y líquidos de hilado. A altas temperaturas, los espines, las pequeñas brújulas de cada electrón desapareado en los materiales, fluctúan aleatoriamente entre orientaciones arbitrarias en ambos casos. (Izquierda) En estados magnéticos convencionales, el orden de los espines se alinea estáticamente entre sí, ya sea en forma paralela o antiparalela por debajo de alguna temperatura característica. (Derecha) En un líquido de espín cuántico, los giros nunca ordenan a ninguna temperatura, no importa qué tan bajo sea, continúan fluctuando rápidamente sin que la simetría se rompa incluso a la temperatura del cero absoluto (-273 ° C). Crédito:Kosmas Prassides
El combustible, como la gasolina, está formado por hidrocarburos, una familia de moléculas que consta en su totalidad de carbono e hidrógeno. Pigmento y tinte, el carbón y el alquitrán también están compuestos de hidrocarburos.
Estos comunes, abundantes materiales, a veces incluso asociado con el desperdicio, no suelen considerarse interesantes electrónica o magnéticamente. Pero un equipo de investigación internacional, dirigido por el profesor Kosmas Prassides de la Universidad de Tohoku en Japón y el profesor Matthew J. Rosseinsky de la Universidad de Liverpool en el Reino Unido, ha hecho un hallazgo significativo.
El equipo descubrió recientemente cómo tomar tales componentes moleculares de hidrocarburos, vestirlos con electrones, cada uno de los cuales lleva una pequeña brújula (un giro no apareado) y los empaqueta como galletas en una caja para crear un líquido de giro cuántico, un estado hipotético de la materia buscado durante mucho tiempo.
Fue en 1973 cuando se propuso por primera vez teóricamente la existencia de líquidos de espín cuántico. En imanes convencionales, el movimiento de los giros de los electrones, los diminutos imanes, se congela al enfriarse a medida que se alinean en paralelo o en antiparalelo entre sí (Fig. 1 a la izquierda). A diferencia de, los giros en un líquido de giro cuántico nunca dejan de fluctuar, aleatoria y fuertemente, incluso a la temperatura más baja del cero absoluto. Cada giro individual apunta simultáneamente a lo largo de un número infinito de direcciones y está muy enredado con otros giros, incluso los que están lejos (Fig. 1 a la derecha). Como tal, Se predice que este mar de espines de electrones albergará muchos fenómenos exóticos de interés fundamental y tecnológico.
Fig. 2 Tres moléculas de hidrocarburos poliaromáticos investigadas en este trabajo. La molécula de fenantreno (C14H10) consta de tres anillos de benceno fusionados en configuración de sillón. Las moléculas de piceno y pentaceno (C22H14) consisten en cinco anillos de benceno fusionados en configuración de sillón y zigzag, respectivamente. Los átomos de carbono e hidrógeno son de color gris y naranja, respectivamente. Crédito:Kosmas Prassides
Sin embargo, la realización experimental de este estado de la materia único y completamente enredado no se ha cumplido hasta la fecha. A pesar de una búsqueda de cuatro décadas, hay muy pocos candidatos líquidos de espín cuántico. Las opciones actuales incluyen ciertos minerales inorgánicos de cobre y algunas sales orgánicas, que contienen raras, elementos pesados o tóxicos.
En los resultados publicados en dos artículos consecutivos el 24 de abril en la revista Química de la naturaleza , el equipo ideó la nueva química necesaria para fabricar materiales cristalinos de alta pureza a partir de la reacción de hidrocarburos poliaromáticos (Fig. 2) con metales alcalinos por primera vez.
Los materiales obtenidos a partir de hidrocarburos poliaromáticos (moléculas con muchos anillos aromáticos) se propusieron en el pasado como candidatos a nuevos superconductores —materiales sin resistencia eléctrica y capaces de transportar electricidad sin perder energía— desprovistos de elementos tóxicos o raros. Sin embargo, La destrucción de los componentes moleculares en los tratamientos sintéticos empleados había inhibido cualquier avance en este campo.
Fig. 3 Representación esquemática de la estructura del hidrocarburo iónico descubierto en este trabajo como anfitrión de un líquido de espín cuántico. El panel de la izquierda muestra los iones moleculares, que se organizan en cadenas triangulares que comparten vértices. El panel de la derecha muestra los tubos magnéticos espirales coexistentes. Los dos motivos estructurales se entrelazan para dar una arquitectura de empaquetamiento compleja, como se muestra en la proyección del panel central. Cada ion molecular tiene un giro (mostrado como una flecha gris). Los giros fluctúan perpetuamente hasta bajas temperaturas. La figura muestra uno de un número infinito de arreglos de giro entrelazados. Crédito:Kosmas Prassides
"La eliminación del obstáculo sintético existente ha dado lugar a desarrollos muy interesantes, ", dice el profesor Kosmas Prassides." Ya hemos descubierto que algunas de las estructuras de los nuevos materiales, hechas completamente de carbono e hidrógeno, la combinación más simple posible - muestra propiedades magnéticas sin precedentes - comportamiento de espín líquido (Fig. 3) - con aplicaciones potenciales en superconductividad y computación cuántica ".
"Nos tomó muchos años de trabajo lograr nuestro gran avance, "añade el profesor Matthew Rosseinsky." Pero al final, logramos desarrollar ninguno, pero dos rutas químicas complementarias, que abren el camino a una rica variedad de nuevos materiales con propiedades aún desconocidas ".
