TALES. Crédito:R. Cubitt, ENFERMO
En la física moderna del siglo pasado, comprender las propiedades electrónicas y las interacciones entre los electrones dentro de la materia ha sido un gran desafío. Los electrones son responsables del enlace químico entre los átomos y casi todos los factores que caracterizan una pieza de materia, como el color, transporte de calor, conductividad y magnetismo. Una propiedad elemental de los electrones es el espín, y la combinación de espines electrónicos a nivel atómico puede inducir un momento magnético en ciertos átomos, que constituyen el material. Estos momentos pueden sumarse a fuerzas magnéticas macroscópicas.
Como el magnetismo es la huella del comportamiento interactivo de los electrones, estudiarlo a nivel atómico nos informa sobre el comportamiento electrónico colectivo en el entorno atómico. Esto puede explicar las propiedades electrónicas observadas macroscópicamente, como la dependencia de la temperatura de la conductividad.
A nivel atómico, Los iones magnéticos están estrechamente empaquetados y, por lo tanto, se influyen mutuamente entre sí, resultando en la adopción de un orden magnético común para minimizar su balance energético. Una ligera perturbación conduce a una onda de giro, por lo que una oscilación de un momento magnético alrededor de su eje central induce perturbaciones oscilantes con un ligero cambio de fase en los vecinos atómicos. Las ondas de giro se observan de forma rutinaria en materiales magnéticos ordenados mediante la dispersión de neutrones inelástica (INS) en espectrómetros del Institut Laue-Langevin (ILL).
Transición de un mundo magnético clásico a uno cuántico
El momento magnético se caracteriza por su número de giro. Cuanto mayor sea el número de giro, cuanto más apropiado es comparar el momento magnético atómico con un imán clásico. Bajar el espín significa acentuar sus propiedades cuánticas; explorar la transición al mundo cuántico, que es fundamentalmente diferente de lo cotidiano, mundo macroscópico, es uno de los desafíos más emocionantes de la física del estado sólido.
El ejemplo más citado son los momentos de giro -1/2 colocados en la esquina de un triángulo equidistante. Debido a su naturaleza cuántica, un giro solo puede apuntar hacia arriba o hacia abajo con respecto a su eje local. Un intercambio magnético entre los momentos de giro, que es de naturaleza antiferromagnética, los obliga a alinearse en antiparalelo entre sí. Como un imán cuántico no puede ordenar, en lugar de adoptar un estado fundamental, varios estados son igualmente probables (6 en el caso del triángulo), y los giros están en un estado superpuesto apuntando en varias direcciones a la vez.
La combinación de triángulos equidistantes conduce a una red bidimensional de giros. Su estado fundamental, es decir, la disposición de giro con el menor coste energético posible, ha desafiado a los teóricos durante décadas. En 1973, noble laureado P.W. Anderson propuso un llamado 'estado líquido de espín cuántico, 'que es conceptualmente completamente diferente a las fases magnéticas ordenadas. Anderson argumentó que para un sistema triangular, es energéticamente más favorable que los giros se organicen en enlaces. En estos enlaces de valencia, los electrones están entrelazados mecánicamente cuánticamente, 'un estado puramente mecánico cuántico. Existe una superposición de una variedad de patrones de enlace en paralelo y los enlaces fluctúan debido a un principio mecánico cuántico, que impone movimientos de punto cero sobre las partículas. Este estado se denomina estado Resonant Valence Bond (RVB).
La dispersión de neutrones proporciona una prueba experimental del estado RVB
Aquí en ILL, dos espectrómetros fríos de tres ejes, IN14 y IN12, contribuido durante décadas al descubrimiento y desarrollo de correlaciones magnéticas en superconductores clásicos y no convencionales, cristales multiferroicos y una amplia gama de sistemas magnéticos cuánticos y frustrados. Como ambos instrumentos datan de la década de 1980, necesitaban una reforma completa para poder seguir contribuyendo al progreso científico en estos campos. La reubicación y remodelación del nuevo espectrómetro IN12 se completó en 2012, y a finales de 2014, el espectrómetro IN14 fue reemplazado por su sucesor, TALES.
TALES, Instrumento de tres ejes para espectroscopia de baja energía, es un espectrómetro de tres ejes de neutrones fríos de próxima generación que se basa en las fortalezas de su predecesor, IN14, pero utiliza óptica de neutrones de última generación. El proyecto ThALES es una colaboración entre ILL y Charles University, Praga, y está financiado por el Ministerio de Ciencia y Educación de la República Checa.
Después de reemplazar el IN14, ThALES se convirtió en la nueva referencia para la espectroscopia de neutrones de cristal único frío en una fuente de neutrones de estado estacionario como el reactor ILL. ThALES se ha optimizado por completo para abordar la física de sistemas de electrones altamente correlacionados y problemas científicos en el campo del magnetismo cuántico. Es más, la flexibilidad del espectrómetro se ha mejorado mediante la implementación de varios elementos ópticos.
Los objetivos clave de ThALES son:
ThALES se utilizó para realizar mediciones del INS en un estudio reciente realizado por una colaboración de científicos, incluido Martin Boehm de ILL, actual coordinador de la red de neutrones SINE2020, financiada con fondos europeos. El estudio publicado en Nature, titulado 'Evidencia de una superficie de Fermi spinon en un candidato líquido de espín cuántico de retícula triangular, 'argumentó que el antiferromagnet de red triangular YbMgGaO4 tiene el estado fundamental RVB líquido de espín cuántico buscado durante mucho tiempo. Este estudio fue el primero en utilizar la dispersión de neutrones como un medio para proporcionar pruebas experimentales del estado RVB.
El esfuerzo experimental para descubrir el estado fundamental de RVB ha aumentado considerablemente desde que P.W. Anderson sugirió que podría explicar el fenómeno de la superconductividad en una clase de materiales que muestran temperaturas de transición particularmente altas entre un estado conductor y superconductor normal. Sin embargo, proporcionar pruebas experimentales de la existencia del estado RVB es muy difícil, porque si bien un sistema ordenado magnéticamente tiene una clara respuesta experimental, el estado RVB se caracteriza por la ausencia de una cantidad mensurable.
Debido a la falta de una cantidad mensurable, el enfoque experimental de este estudio, usando ThALES, seleccionó la prueba experimental indirecta excitando deliberadamente el estado fundamental con neutrones y midiendo la respuesta dinámica. Según expectativas teóricas, el líquido de espín excitado se comporta 'exóticamente, 'lo que significa que el estado excitado se explica por espinones con propiedades muy inusuales. Los espinones pueden reorganizar la distribución de los enlaces de valencia y viajar por el plano triangular con una cantidad mínima de energía.
En un proceso de dispersión entre el neutrón y el líquido de giro, la ley de conservación de la cantidad de movimiento total impone la creación de dos spinones de espín 1/2 en el líquido. Este par de espinones viajan en direcciones opuestas con una cantidad total de energía equivalente a la pérdida de energía neutrónica en el proceso de dispersión. Usando el espectrómetro ThALES, es posible rastrear la dirección y las energías de los espinones midiendo la dirección y la energía del neutrón que creó el par de espinones. De este modo, este estudio trazó un paisaje dinámico completo del líquido cuántico de espín en el plano triangular, y comparó las mediciones con predicciones teóricas, lo que dio una fuerte evidencia de la existencia de la fase líquida de giro en YbMgGaO4.
Esta investigación es importante ya que un estado líquido de espín cuántico de la materia es potencialmente relevante para aplicaciones de información cuántica. Es más, La identificación experimental de un estado líquido de espín cuántico contribuye en gran medida a nuestra comprensión de la materia cuántica.
