Usando un nuevo método computacional, una colaboración internacional ha logrado por primera vez investigar sistemáticamente los efectos cuánticos magnéticos en el conocido modelo de pirocloro 3D de Heisenberg. El hallazgo sorprendente:las fases cuánticas físicas se forman solo para valores de espín pequeños.

Los átomos y las moléculas de los sólidos cristalinos están dispuestos en retículas tridimensionales regulares. Los átomos interactúan entre sí a través de varias fuerzas, alcanzando finalmente un estado de mínima energía. Cerca del cero absoluto las oscilaciones de la celosía se congelan, de modo que dominan las interacciones entre los espines de los electrones. Un caso particularmente interesante ocurre cuando los espines no pueden alinearse todos al mismo tiempo para alcanzar un estado de energía más baja. Esto da como resultado un sistema frustrado en el que los giros están casi completamente desordenados y, por lo tanto, se denominan líquido de giro.

Estructura de cristal cúbico

Uno de los modelos principales para estudiar los imanes cuánticos frustrados en 3D es el modelo de Heisenberg en una red de pirocloro, una estructura cristalina cúbica simple (ver ilustración). Sin embargo, Hasta ahora ha sido extremadamente difícil derivar predicciones prácticas, es decir, para materiales y temperaturas específicas, de este modelo teórico.

Equipos de Alemania, Japón, Canadá, y la India han realizado ahora conjuntamente investigaciones sistemáticas de este modelo con la ayuda de un nuevo método teórico y han resuelto varias de estas dificultades. Con este nuevo método es posible variar el valor de espín de los átomos de la red, así como la temperatura y otros parámetros de interacción. y calcular los rangos de parámetros en los que se producen nuevos efectos cuánticos magnéticos. Los cálculos se llevaron a cabo en el Leibniz Supercomputing Center (LRZ) en Munich.

Efectos cuánticos solo para giros pequeños

"Pudimos demostrar que, sorprendentemente, los efectos físicos cuánticos solo ocurren en rangos de parámetros muy limitados", explica el físico teórico Prof. Johannes Reuther del HZB, coautor del estudio. Estos efectos cuánticos son más pronunciados al menor giro posible (valor de giro ½). Sin embargo, Los sistemas de espín en la estructura cristalina investigados por los equipos ya se comportan casi por completo como sistemas físicos clásicos con valores de espín de 1,5 y superiores.

El trabajo publicado profundiza nuestra comprensión de los sólidos y contribuye al avance sistemático de la búsqueda de fluidos de espín 3-D en materiales cuánticos.