Alexei Tsvelik, un físico teórico en Brookhaven Lab, usa sus manos para demostrar dos arreglos quirales diferentes de los momentos magnéticos de tres electrones cercanos. Esta idea de quiralidad, o destreza, también se utiliza para describir las orientaciones de imagen especular de los átomos en las moléculas, como se muestra en la pantalla de la computadora de Tsvelik. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
A medida que los científicos han explorado la estructura y las propiedades de la materia a niveles cada vez más profundos, han descubierto muchos materiales nuevos exóticos, incluidos los superconductores que transportan corriente eléctrica sin resistencia, cristales líquidos que se alinean para producir pantallas dinámicas brillantes, y materiales que exhiben diversas formas de magnetismo. Sin embargo, algunas formas exóticas de materia existen solo en teoría, predicho por los científicos basándose en lo que han aprendido en estos niveles más profundos. Ahora, un par de físicos proporciona una hoja de ruta teórica que podría apuntar al descubrimiento de uno de esos estados exóticos ordenados magnéticamente, apodado un "líquido de giro quiral".
"Esta forma de materia se sugirió por primera vez hace unos 30 años como un tipo particular de orden magnético sin una dirección global definida de los momentos magnéticos, "dijo Alexei Tsvelik, teórico del Laboratorio Nacional Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. "Pero su descubrimiento sigue siendo una quimera, hasta ahora."
En un nuevo artículo aceptado como sugerencia de los editores por la revista Cartas de revisión física , Tsvelik y el coautor Oleg Yevtushenko de la Universidad Ludwig Maximilian en Alemania describen los requisitos generales que debería satisfacer un sistema magnético de este tipo. También dan sugerencias particulares sobre dónde y cómo buscar ejemplos reales de líquidos de centrifugado quiral.
Buscando orden
Para un ejemplo simple de cómo las propiedades de la materia surgen del "orden" entre sus componentes básicos, Piense en cómo la temperatura influye en la disposición de las moléculas de agua. Obtienes propiedades dramáticamente diferentes dependiendo de si las moléculas pueden moverse libremente como vapor, enfriado para fluir colectivamente como un líquido, o bloqueado en posiciones establecidas en un cristal sólido de hielo.
"En ese simple caso, el orden cristalino se puede ver a simple vista, ", Dijo Tsvelik." Pero los físicos siempre están buscando algo más sutil y sofisticado, "como el orden en las orientaciones de los momentos magnéticos de los electrones.
Los electrones tienen una propiedad llamada espín, algo análogo al giro de una peonza de juguete. El eje de rotación determina hacia dónde apunta el giro, y hace que los electrones individuales actúen como pequeños imanes. En un material como el hierro, cuando las direcciones de los microscópicos momentos magnéticos de los electrones están alineadas, obtienes magnetismo a escala macroscópica.
El pulgar y los dos primeros dedos de las manos de Tsvelik muestran las orientaciones relativas de tres electrones cercanos cuyos momentos magnéticos apuntan en ángulo recto entre sí, como la x, y, ejes z en un gráfico 3-D. En un "líquido de centrifugado quiral, "los físicos esperarían encontrar ese orden local entre los momentos magnéticos de los electrones, y solo uno de los dos posibles arreglos quirales, sin un orden global definido. Crédito:Laboratorio Nacional Brookhaven
En un líquido de giro quiral, sin embargo, los científicos no buscan un orden magnético de tan largo alcance. En su lugar, están buscando un tipo particular de orden magnético local entre grupos de tres electrones vecinos.
"Lo que queremos es una disposición en la que tres momentos magnéticos vecinos formen una tríada con sus orientaciones fijas entre sí, pero no hay una orientación global, "Tsvelik dijo. Utiliza su mano derecha para demostrar las orientaciones relativas, con el pulgar y el índice formando una L y el dedo medio apuntando directamente desde la palma, todos en ángulo recto entre sí, como la x, y, ejes z en un gráfico tridimensional.
Usar una mano es un accesorio adecuado porque demuestra fácilmente que se puede lograr una disposición de imagen especular usando la mano izquierda en lugar de la derecha. Estos dos arreglos diferentes son ejemplos de quiralidad positiva y negativa, una palabra que los físicos y químicos usan para describir la "lateralidad" de las estructuras tridimensionales. Una vez ordenado, el líquido de centrifugado elige espontáneamente una quiralidad particular, Tsvelik dijo.
Según su comprensión de las propiedades de los materiales, los científicos predijeron qué propiedades deberían tener los líquidos de espín quiral con tales disposiciones, y luego utilizó cálculos teóricos para apoyar sus ideas. El documento incluso incluye la fórmula química de un material en particular que les gustaría que exploraran los investigadores experimentales.
En esencia, Tsvelik dijo:el material debe ser un metal en capas, donde los espines se ubican en capas bien separadas y donde los momentos magnéticos localizados pueden coexistir con los electrones de conducción. También debe responder fuertemente a un campo magnético no uniforme con una periodicidad particular, similar a la forma en que las vibraciones externas de la voz de un cantante de ópera pueden romper un vaso que vibra a la misma frecuencia de resonancia que la nota. Pero no esperes que el metal se rompa Tsvelik dijo.
¿Qué podemos esperar si se descubre un líquido de espín quiral? Tsvelik no tiene predicciones específicas.
"Si miras la historia de la ciencia, desde el descubrimiento de la mecánica hasta el electrón y la división del átomo, nunca ha sido impulsada por aplicaciones. Muchas veces, eventualmente surgen aplicaciones, incluso los gigantes, como los que desencadenaron la Revolución Industrial, que surgió de los descubrimientos de Newton. Pero eso no es lo que impulsa a la ciencia, " él dijo.
