En trabajo publicado en Cartas de revisión física , Los científicos de RIKEN en Japón han descubierto nuevas e interesantes propiedades magnéticas de un tipo de materiales conocidos como "hielo de espín cuántico". Estos materiales demuestran propiedades interesantes ya que se comportan como "imanes frustrados", sistemas que pueden asentarse en varios estados magnéticos debido a su geometría especial. Una propiedad importante de estos materiales es que tienen monopolos virtuales:partículas que están al norte o al sur pero no como imanes típicos. que invariablemente tienen un polo norte y uno sur confinados juntos.
Usando simulaciones numéricas, el grupo mostró cómo un campo magnético podría usarse para controlar las propiedades de los polos norte y sur, que están fraccionados a partir de momentos magnéticos de electrones, en un imán frustrado llamado hielo de espín cuántico.
El grupo propuso por primera vez un modelo para el hielo de espín cuántico (hielo de espín basado en propiedades cuánticas) en 2010 para describir las propiedades magnéticas de baja energía de los piroclores magnéticos de tierras raras, un tipo de mineral que muestra propiedades físicas interesantes. En 2012, Los experimentos demostraron que este modelo era válido. Este sistema incluye un estado líquido de espín cuántico en el que los espines, propiedad de los electrones que dan lugar a propiedades magnéticas, no se ordenan ni se congelan mediante el movimiento de punto cero. un tipo de movimiento permitido incluso a temperatura cero bajo la mecánica cuántica, de sus monopolos. Dado que las cargas monopolo están sujetas a una ley de conservación, el movimiento de los polos norte y sur afecta directamente la dirección de los momentos magnéticos en el sistema. Además, las cargas eléctricas no son transportadas por estos monopolos, y, por tanto, la corriente monopolo no va acompañada de una corriente eléctrica que provocaría una gran pérdida de energía a través del calor Joule. "Debido a esto, "dice Shigeki Onoda, el líder del grupo, "La corriente monopolo ofrece una forma potencialmente eficiente de controlar los imanes sin pérdidas".
A través de este trabajo, Los investigadores revelaron que hay sucesivas transiciones desde el estado líquido de espín cuántico si se aplica un campo magnético en una dirección especial a lo largo de la cual las capas de celosía kagome y las capas de celosía triangular se apilan una encima de la otra. Primero, la magnetización del sistema se eleva suavemente a un valor de dos tercios del valor máximo en el estado líquido de espín cuántico, y luego permanece en ese nivel en un rango finito de la intensidad del campo, que se llama la meseta de magnetización 2/3. En este estado de meseta, el movimiento de punto cero de los monopolos está espacialmente confinado y localizado, y por lo tanto este estado no puede albergar una corriente monopolo coherente. Sin embargo, a medida que aumenta la fuerza del campo magnético, la magnetización del material eventualmente comienza a elevarse nuevamente y concomitantemente, las cargas monopolo se vuelven desproporcionadas y muestran una superfluidez. Este es un análogo magnético de un supersólido en helio 4, donde los átomos muestran una distribución espacial no uniforme y una superfluidez, que admite corriente sin fricción y, por lo tanto, sin disipación, a temperaturas extremadamente bajas. La fase supersólida monopolo sobrevive hasta que la magnetización se satura al valor máximo.
Según Onoda, "Nuestro trabajo indica que la conductividad asociada con la corriente monopolo puede controlarse sustancialmente aplicando un campo magnético al hielo de espín cuántico y que es posible albergar corriente monopolo sin disipación en la fase supersólida monopolo. Nuestros hallazgos también pueden abrir una ruta novedosa para el control eficiente del magnetismo para una amplia gama de aplicaciones potenciales, como dispositivos de memoria ".
