Un poco de frustración puede hacer la vida interesante. Este es ciertamente el caso de la física, donde la presencia de fuerzas en competencia que no pueden satisfacerse al mismo tiempo, lo que se conoce como frustración, puede conducir a propiedades materiales raras. Así como las moléculas de agua se vuelven más ordenadas cuando se enfrían y se congelan en cristales de hielo, los átomos de los imanes se vuelven más ordenados con la temperatura decreciente a medida que los diminutos campos magnéticos o "giros" de los átomos individuales comienzan a apuntar en la misma dirección. Los llamados 'líquidos de centrifugado' son la excepción a esta regla, con giros que continúan fluctuando y apuntando en diferentes direcciones incluso a temperaturas muy bajas. Ofrecen interesantes posibilidades para nuevos descubrimientos en física. Científicos de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han modelado un líquido de espín particular, mostrando que el desorden puede coexistir con el orden. Tres publicaciones importantes marcan los hitos en este campo de investigación.

Primero, El Dr. Ludovic Jaubert de la Unidad de Teoría de la Materia Cuántica de OIST trabajó junto con científicos del University College London y la Ecole Normale Supérieure de Lyon para proponer un modelo para la coexistencia tanto del orden magnético como del desorden en 2014. Simulando lo que sucedería cuando los neutrones se disparan contra imanes frustrados, llamados así debido a la fuerte competencia de fuerzas entre los giros de los átomos individuales, Jaubert y sus colegas pudieron producir mapas de dispersión de neutrones de colores brillantes. Si los giros en los átomos del material se alinearan de manera ordenada en el imán, esperaría ver puntos en los mapas conocidos como 'picos de Bragg', mientras que con los líquidos de centrifugado esperaría ver formas de pajarita, llamados 'puntos de pellizco'. Para su sorpresa, los científicos notaron tanto los picos de Bragg como los puntos de pellizco en sus mapas de dispersión de neutrones, lo que sugiere que las propiedades desordenadas de un líquido de espín pueden existir simultáneamente con el magnetismo ordenado.

"Los líquidos de espín son modelos del desorden magnético. Fue muy emocionante ver los rasgos característicos de un líquido de espín en un imán parcialmente ordenado. Es realmente motivador pensar en las oportunidades fundamentales que esto ofrece para nuestra comprensión de la materia condensada, "dice Jaubert.

El segundo hito en este campo de investigación se produjo a principios de este año, cuando una publicación en Nature Physics mostró que la teoría del Dr. Jaubert y sus colaboradores se mantuvo en la observación experimental, utilizando el material magnético circonato de neodimio (Nd2Zr2O7). "Los resultados de este experimento confirman la teoría que presentó el Dr. Jaubert sobre la coexistencia del orden magnético y el desorden en 2014, "dice el Dr. Owen Benton, un ex becario postdoctoral en la Unidad de Teoría de la Materia Cuántica, dirigido por el profesor Nic Shannon.

Sin embargo, se necesitaba más trabajo para vincular este nuevo experimento con la idea original de Jaubert. Para descubrir cómo el circonato de neodimio podría ordenarse y desordenarse al mismo tiempo, Benton se puso a trabajar en el último hito de esta investigación, teorizando un modelo microscópico apropiado para este material magnético. Usando su modelo, Benton demostró que el circonato de neodimio existe tanto en un estado ordenado como en un estado fluctuante, lo que lo convierte en un tipo de imán muy inusual.

El trabajo también muestra que el circonato de neodimio está a punto de convertirse en un líquido de espín cuántico, un estado raro de la materia que abre una puerta trasera al mundo cuántico. En un verdadero líquido de espín cuántico, los giros de un material no solo fluctuarían a través de muchas direcciones diferentes en función del tiempo, sino que apuntarían en muchas direcciones diferentes al mismo tiempo.

"Si pudieras demostrar que existe algo así como un líquido de espín cuántico, sería como un ejemplo del gato de Schrodinger en un objeto grande, "dice Benton. El gato de Schrodinger es un famoso experimento mental en física en el que un gato en una caja sellada con una fuente radiactiva está vivo y muerto al mismo tiempo. Así como el gato existe en múltiples estados, es decir, vivo y muerto, simultaneamente, esta investigación allana el camino para encontrar imanes reales que se encuentran en muchos estados a la vez.

"Este estudio también demuestra que podemos obtener una imagen muy completa de la física del circonato de neodimio utilizando un modelo, ", dice Benton. Una mayor investigación teórica y experimental de este y materiales relacionados podría revelar fenómenos aún más inesperados y emocionantes.