El espectrómetro de espín muónico utilizado en el estudio del Instituto Paul Scherrer. La muestra en estudio se coloca en el criostato ubicado en el medio, y un haz de muones se dirige hacia él desde la dirección trasera izquierda. Crédito:Otto Mustonen
En 1987, Paul W. Anderson, un premio Nobel de física, propuso que la superconductividad de alta temperatura, o pérdida de resistencia eléctrica, está relacionado con un estado cuántico exótico ahora conocido como líquido de espín cuántico. Los materiales magnéticos están formados por imanes muy pequeños, que puede ser tan pequeño como electrones individuales. La fuerza y la dirección de estos se describen por el momento magnético. En líquidos de espín cuántico, Los momentos magnéticos se comportan como un líquido y no se congelan ni ordenan ni siquiera en el cero absoluto. Estos estados cuánticos se están estudiando como materiales prometedores para nuevos, las llamadas computadoras cuánticas topológicas, en el que las operaciones se basan en estados excitados similares a partículas que se encuentran en líquidos de espín cuántico. Además de una gran potencia computacional, una computadora cuántica topológica se caracteriza por una alta tolerancia a fallas, lo que permite aumentar el tamaño de la computadora. Sin embargo, Hasta ahora solo se han identificado unos pocos líquidos de espín cuántico adecuados para computadoras cuánticas topológicas.
Ahora, por primera vez, investigadores de la Universidad de Aalto, Centro Brasileño de Investigaciones en Física (CBPF), La Universidad Técnica de Braunschweig y la Universidad de Nagoya han producido el líquido de espín cuántico parecido a un superconductor predicho por Anderson. Este es un paso importante hacia la comprensión de los superconductores y los materiales cuánticos. La preparación de un líquido de espín cuántico fue posible gracias a una nueva forma de adaptar las propiedades de los materiales magnéticos que fue desarrollada por químicos de la Universidad de Aalto. Los resultados de la investigación se han publicado en Comunicaciones de la naturaleza .
Los superconductores de alta temperatura son óxidos de cobre en los que los iones de cobre forman una red cuadrada de modo que los momentos magnéticos adyacentes se enfrentan en direcciones opuestas. Cuando esta estructura se altera al cambiar el estado de oxidación del cobre, el material se vuelve superconductor. En la nueva investigación ahora publicada, las interacciones magnéticas de esta estructura cuadrada se modificaron con iones con estructura electrónica d10 y d0, que convirtió el material en un líquido de espín cuántico.
La red cuadrada magnéticamente ordenada de iones de cobre. La adaptación de la estructura provocó la formación de líquido de espín cuántico. Modificar la estructura de una manera diferente da como resultado una superconductividad a alta temperatura. Crédito:Otto Mustonen
"En el futuro, este nuevo método d10 / d0 se puede utilizar en muchos otros materiales magnéticos, incluyendo varios materiales cuánticos, "dice el candidato a doctorado Otto Mustonen de la Universidad de Aalto.
Cooperación fluida
La detección empírica de líquidos de espín cuántico es difícil y requiere una amplia infraestructura de investigación.
"Usamos espectroscopía de espín de muón en este estudio. Este método se basa en la interacción de muy corta duración, partículas elementales similares a electrones, conocidos como muones, con el material en estudio. El método puede detectar campos magnéticos muy débiles en materiales cuánticos, ", dice el profesor F. Jochen Litterst de la Universidad Técnica de Braunschweig. Las mediciones se realizaron en el Instituto Paul Scherrer en Suiza.
"Además del equipamiento de primera clase, la investigación requiere una cooperación fluida entre químicos y físicos, ", dice la profesora Maarit Karppinen." Vamos a necesitar el mismo enfoque multidisciplinario internacional en el futuro para que esta investigación sobre los líquidos de espín cuántico nos pueda llevar a la realización experimental de la computadora cuántica topológica ".
