Los electrones (nubes rojas y azules) y los momentos magnéticos intrínsecos de los átomos (flechas) pueden trabajar juntos para inducir superconductividad en las condiciones adecuadas. La aplicación de presión puede ayudar a sintonizar esas interacciones. Crédito:Caltech
Enfríe un material a temperaturas suficientemente bajas y buscará alguna forma de orden colectivo. Agregue la mecánica cuántica o limite la geometría y los estados de la materia que emergen pueden ser exóticos, incluidos los electrones cuyos espines se organizan en espirales, molinetes o cristales.
En un par de publicaciones recientes en Comunicaciones de la naturaleza , equipos dirigidos por Thomas F. Rosenbaum de Caltech, profesor de física y titular de la Cátedra Presidencial Sonja y William Davidow, informan cómo han combinado campos magnéticos y grandes presiones para no solo inducir estos estados a temperaturas ultrabajas, sino también para empujarlos entre tipos competitivos de orden cuántico.
Rosenbaum es un experto en la naturaleza mecánica cuántica de los materiales:la física de la electrónica, magnético, y materiales ópticos a nivel atómico, que se observan mejor a temperaturas cercanas al cero absoluto. En el primero de los dos artículos, publicado en junio y dirigido por Sara Haravifard, ahora en la facultad de la Universidad de Duke, el equipo exprimió una colección de partículas cuánticas magnéticas en una celda de presión a temperaturas cercanas al cero absoluto y en campos magnéticos de más de 50, 000 veces más fuerte que el campo de la tierra, y descubrió la formación de nuevos tipos de patrones de cristal. La geometría de estos patrones de cristal no solo revela la mecánica cuántica subyacente de las interacciones entre las partículas magnéticas, pero también tiene que ver con los tipos de estados colectivos permitidos para los sistemas atómicos, como los que fluyen sin fricción.
El estudiante graduado de Caltech, Yishu Wang, y el científico de Argonne, Yejun Feng, están trabajando en la estación de investigación del Argonne National Lab / APS. La configuración experimental es para hacer difracción magnética a baja temperatura y alta presión. Crédito:Laboratorio Nacional Argonne / APS
En el trabajo del segundo artículo, publicado en octubre y dirigido por el estudiante graduado de Caltech Yishu Wang y el científico de Argonne Yejun Feng, Rosenbaum y sus colegas también investigan cómo los materiales se equilibran en el filo de la navaja entre diferentes tipos de orden cuántico. En este caso, sin embargo, los investigadores se centran en la relación entre el magnetismo y la superconductividad (la desaparición completa de la resistencia eléctrica) y cómo esas propiedades se relacionan entre sí cuando el material cambia de estado bajo las presiones alcanzables en una celda de yunque de diamante.
Los investigadores utilizaron la fuente de fotones avanzada en el laboratorio nacional de Argonne para estudiar las propiedades magnéticas del fosfuro de manganeso (MnP), un metal de transición, para ver cómo podría ser posible manipular el orden de los espines, los momentos magnéticos intrínsecos de los electrones, para mejorar o suprimir la aparición de superconductividad.
La superconductividad es un estado en un material en el que no hay resistencia a la corriente eléctrica y se expulsan todos los campos magnéticos. Este comportamiento surge de un llamado "estado cuántico macroscópico" donde todos los electrones en un material actúan en concierto para moverse cooperativamente a través del material sin pérdida de energía.
Rosenbaum y sus colegas delinearon un patrón en espiral de los momentos magnéticos de los electrones en MnP que podrían ajustarse aumentando la presión para inducir superconductividad. Aquí, de nuevo, la geometría particular del patrón magnético fue la clave para el estado final que alcanzó el material. "Los experimentos revelan oportunidades manifiestas para encontrar nuevos estados de baja energía a través de sustituciones de manganeso y fósforo con elementos vecinos de la tabla periódica como el cromo y el arsénico. La taxonomía de los estados cuánticos permitidos y la capacidad de manipularlos une enfoques a través de la física cuántica y tecnología, "Dice Rosenbaum.
El primer papel "Cristalización de superredes de espín con presión y campo en el imán estratificado SrCu2 (BO3) 2, "se publicó el 20 de junio de 2016. Los coautores incluyen a Daniel M. Silevitch, profesor de investigación de física en Caltech. El trabajo en Caltech fue apoyado por la National Science Foundation. La investigación en el segundo artículo, titulado "Orden magnético en espiral y superconductividad inducida por presión en compuestos de metales de transición" y publicado el 6 de octubre de fue financiado en Caltech por un premio de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU.
