Por primera vez, Los físicos presentan una teoría unificada que explica dos rasgos característicos de los imanes frustrados y por qué a menudo se los ve juntos.

Cuando los físicos envían neutrones disparados a través de un imán frustrado, las partículas se esparcen por el otro lado en patrones característicos. Los diseños aparecen porque, incluso a bajas temperaturas, los átomos de un metal frustrado oscilan en el tiempo entre sí. Un patrón distintivo, conocido como "punto de pellizco, "se asemeja a una pajarita y se ha estudiado ampliamente en el mundo de los líquidos de hilado. Los puntos de pellizco suelen ir acompañados de misteriosos patrones de media luna llamados" medias lunas ". "pero la física que vincula los fenómenos nunca ha sido aclarada.

Ahora, Los investigadores de la Universidad de Graduados del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa (OIST) han revelado que los puntos de pellizco y las medias lunas son lo mismo, simplemente firmas de la misma física en diferentes niveles de energía. Su teoría unificada, publicado el 12 de octubre de 2018, como un Revisión física B Comunicación rápida, es el primero en explicar la física subyacente que impulsa los fenómenos a menudo emparejados.

"La teoría en sí es algo simple, "dijo Han Yan, estudiante de posgrado en la Unidad de Teoría de la Materia Cuántica en OIST y primer autor del estudio. "Según la misma teoría que le da el punto de pellizco a menor energía, se puede calcular lo que sucede a mayor energía y se obtiene un par de medias lunas ".

Si se acerca a un imán frustrado, cada átomo que forma el material parece girar erráticamente. En realidad, sin embargo, estos átomos participan en una danza bellamente coordinada, girando en el tiempo entre sí para que sus tirones magnéticos finalmente se cancelen. Este ballet es difícil de observar directamente, así que en vez, los físicos buscan pistas reveladoras de que la actuación se está llevando a cabo.

Una técnica experimental llamada dispersión de neutrones permite a los científicos recopilar estas pistas. Los neutrones no tienen carga eléctrica, pero actúan como una fuente localizada de magnetismo. Los átomos individuales también actúan como pequeños imanes, completo con sus propios polos norte y sur. Cuando se envía zumbando a través de un material, La velocidad y la dirección de un neutrón son desviadas por los átomos que pasa, y así se "esparce".

El patrón de dispersión le dice a los físicos cómo se comportan los átomos dentro de un material. Por ejemplo, si los neutrones se dispersan atropelladamente, los físicos infieren que los átomos dentro de un material están alineados al azar. Si los neutrones se dispersan en una pajarita distintiva, infieren que los átomos están girando en tándem, como lo harían en un imán frustrado.

Los puntos de pellizco aparecen cuando un número igual de imanes atómicos, o "giros, "están señalando" hacia afuera "como apuntando" adentro "en cualquier región del imán frustrado. Este equilibrio hace que el material sea no magnético y lo mantiene a un nivel mínimo de energía.

Las medias lunas aparecen cuando un imán frustrado tiene energía más allá de este nivel mínimo, y por lo tanto viola la ley de conservación local que requiere que se señale un número igual de vueltas como en. En esencia, las medias lunas son puntos de pellizco colocados en una curva. Cuanto mayor sea la curvatura, cuanto más fuerte es la violación, cuanta más energía esté usando el sistema. Los investigadores de OIST descubrieron esta relación en sus cálculos y luego la pusieron a prueba.

Los investigadores probaron su teoría unificada en un sistema simulado donde los puntos de pellizco y las medias lunas se pueden observar juntos. conocido como un antiferro-imán de Heisenberg en una celosía de kagome. También aplicaron sus ecuaciones a observaciones recientes del imán frustrado Nd2Zr2O7 y descubrieron que su teoría explicaba la aparición de los dos patrones en aplicación, así como.

"Los puntos de pellizco y las medias lunas provienen de la misma física subyacente, una de respetar la ley de conservación local y la otra de violarla, "dijo Yan." Cuando los pones juntos, forman una imagen completa de la fenomenología general ".

En el futuro, la teoría unificada de las medias lunas y los puntos de pellizco debería resultar útil tanto en la física teórica como en la aplicada, y quizás más allá.

"Desde cierto punto de vista, cada sistema de materia condensada es en sí mismo un universo diferente, ", dijo Yan." Es una gran curiosidad intelectual encontrar estos universos, con sus propias extrañas leyes de la naturaleza, pero también se relaciona con la vida diaria. La gente está tratando de identificar las leyes particularmente útiles en estos mini-universos para que podamos usarlas en nuestro beneficio ".