Investigadores del Instituto Paul Scherrer (PSI) en Suiza, Romain Sibille y Nicolas Gauthier, están estudiando una muestra fascinante usando neutrones en la Fuente de Neutrones por Espalación (SNS) del Departamento de Energía (DOE) en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge.

Su objetivo es crear un caso observable de hielo de espín cuántico, un extraño estado magnético que se encuentra en una clase especial de materiales que podría conducir a avances en las tecnologías de computación cuántica.

"Estudiamos principalmente óxidos, que incluyen elementos magnéticos de tierras raras, "dijo Sibille." Ahora mismo, estamos estudiando una muestra que es candidata a una fase magnética que, hasta aquí, ha sido difícil de observar:hielo de espín cuántico. Esperamos encontrar esto y demostrarlo con las nuevas capacidades aquí en el instrumento HYSPEC de SNS usando polarización y el superespejo de PSI ".

En 2015, HYSPEC, Línea de luz SNS 14B, recibió una nueva matriz de superespejos polarizadores de gran angular construida por científicos e ingenieros de PSI. El nuevo superespejo permite a los usuarios realizar análisis de polarización tridimensional de las excitaciones de neutrones.

Los estudios de magnetismo frustrado que utilizan la dispersión de neutrones continúan ganando popularidad entre los científicos, los investigadores dicen, en gran parte debido a la posibilidad de encontrar estos estados cuánticos únicos. El hielo de espín cuántico, en particular, es parte de una clase más amplia de fases magnéticas, o estados fundamentales, llamados "líquidos de espín cuántico".

El hielo giratorio es una sustancia magnética que no exhibe magnetismo convencional, como se ve en los imanes de barra tradicionales con polos norte y sur donde los electrones se alinean en paralelo. En lugar de, Los momentos magnéticos del material, o "giros", se organizan en estados desordenados o "frustrados" y fluctúan entre diferentes configuraciones. incluso en condiciones extremadamente frías cuando se espera que las partículas se congelen en su posición.

"Los momentos magnéticos no entran en una fase en la que todos están en una dirección determinada y permanecen así, "explicó Sibille". el sistema entra en una fase dinámica y macroscópicamente degenerada. Eso significa que hay una gran cantidad de configuraciones locales diferentes de los momentos magnéticos, y ese número escala con el tamaño de la muestra. El estado fundamental fluctúa entre estas configuraciones y no entra en un orden estático de largo alcance ".

El estudio de los líquidos de espín cuántico sigue siendo un campo muy teórico porque las herramientas necesarias para observar estas fases son limitadas.

"Básicamente, estamos casi limitados a usar neutrones para intentar observarlos, ", dijo Sibille." La muestra que estamos usando también se enfriará a 50 miliKelvin [aproximadamente -459 ° F], extremadamente fría. Está, al menos por el momento, casi imposible hacer experimentos de rayos X en estas condiciones ".

"Con neutrones, puede mapear la dispersión difusa más fácilmente que con rayos X, también, "añadió Gauthier." Sin embargo, lo que se llama 'hielo de espín cuántico' es cuando las fluctuaciones cuánticas permiten que las configuraciones de hielo de espín se formen un túnel entre sí, incluso a temperatura cero. Esto conduce a la aparición de excitaciones exóticas que pueden estudiarse mediante neutrones. Esto es lo más interesante y lo que la gente busca intensamente en este momento ".

"Estamos muy emocionados de ser los primeros usuarios de PSI del superespejo, "dijo Sibille." Si funciona, es un caso científico muy interesante y un buen logro para la colaboración entre PSI y Oak Ridge ".

Los resultados de la investigación del equipo se publicaron en la revista Física de la naturaleza .