Las personas no son las únicas que se sienten frustradas ocasionalmente. Algunos cristales también muestran frustraciones. Lo hacen siempre que sus imanes elementales, los giros magnéticos, no se puede alinear correctamente. Cloruro de cobre-cesio (Cs ₂ CuCl ₄ ), o CCC para abreviar, es un excelente ejemplo de materiales frustrados. En este cristal los átomos de cobre magnéticos residen en una red triangular y buscan alinearse de manera antiparalela entre sí. En un triangulo esto no funciona, sin embargo. Esta frustración geométrica desafía a los físicos. Después de todo, promete el descubrimiento de nuevos fenómenos magnéticos que incluso pueden utilizarse para computadoras cuánticas en el futuro. Para investigar y comprender mejor los conceptos básicos subyacentes, físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Alemania, apoyado por colegas japoneses y estadounidenses, Ahora puede controlar el acoplamiento magnético mediante un elegante método de medición.

"Nuestro objetivo es dilucidar en detalle los complejos procesos cuánticos en cristales geométricamente frustrados, "explica el Dr. Sergei Zvyagin del Laboratorio de Alto Campo Magnético de Dresde en el HZDR. Las teorías sobre el comportamiento magnético de cristales como CCC abundan. Pero hasta ahora, han faltado experimentos sofisticados para probar estas teorías en el objeto mismo. Para tal fin, Es útil cambiar deliberadamente la fuerza de las interacciones entre los átomos magnéticos.

Los físicos de muchos laboratorios a menudo toman un camino tedioso:producen cristales con frustración geométrica en una composición química ligeramente diferente. Esto cambia la interacción magnética entre los imanes elementales, pero a veces también, involuntariamente, la estructura cristalina. Zvyagin dejó esto laborioso, camino puramente químico hacia un conocimiento más profundo. En lugar de, usó altas presiones. Bajo estas condiciones, la fuerza del acoplamiento de los espines magnéticos se puede cambiar de forma casi continua.

"Con el nuevo método, podemos controlar los parámetros de acoplamiento dentro del cristal y medir simultáneamente los efectos sobre las propiedades magnéticas, ", dice Sergei Zvyagin. Recibió los cristales CCC para sus experimentos del grupo del Dr. Hidekazu Tanaka en el Instituto de Tecnología de Tokio. Con una longitud de borde de solo unos pocos milímetros y su translucidez naranja brillante, recuerdan más a las piedras preciosas de granate brillante que a los cristales artificiales cultivados en el laboratorio.

También en Japón, en la Universidad de Tohoku en Sendai, Zvyagin y sus colegas colocaron los cristales en una prensa de alta presión con pistones hechos de óxido de circonio de alta resistencia. Los investigadores aumentaron gradualmente la presión a alrededor de dos gigapascales, una presión similar a la que ejerce el peso de un automóvil sobre una superficie del tamaño de la mina de un lápiz de color.

"Bajo esta presión, las distancias entre los átomos cambiaron muy poco, ", dice Zvyagin." Pero las propiedades magnéticas del cristal mostraron un cambio drástico ". Los investigadores pudieron medir estos cambios directamente usando resonancia de espín de electrones (ESR). Determinaron la transmitancia de la luz (o más precisamente, microondas) en un campo magnético externo muy fuerte de hasta 25 Tesla, aproximadamente medio millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Además, el cristal tenía que estar ultracongelado a -271 grados Celsius, casi al cero absoluto, para evitar los efectos molestos provocados por el calor.

Estas mediciones en un fuerte campo magnético externo revelaron las propiedades magnéticas muy inusuales del material. Los investigadores pudieron variar la fuerza del acoplamiento entre espines magnéticos vecinos cambiando la presión. Otras mediciones utilizando un método adicional de la investigación de materiales, la técnica del oscilador de diodo de túnel (TDO), complementaron estos resultados. Las mediciones de TDO se llevaron a cabo, también bajo altas presiones y en fuertes campos magnéticos, en la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee.

Además, Zvyagin y sus colegas encontraron evidencia de que CCC bajo alta presión exhibe una cascada de nuevas fases con un campo magnético creciente, ausente a presión cero. "Gracias a estas medidas, ahora estamos un paso más hacia una mejor comprensión de la variedad de estas fases, "dice el profesor Joachim Wosnitza, jefe del Laboratorio de Alto Campo Magnético de Dresde.

"La identificación exacta de estas fases es uno de nuestros próximos objetivos, "dice Zvyagin. En el futuro, tiene la intención de determinar las estructuras exactas de sus cristales CCC mediante la dispersión de neutrones. Para estos planes, aprecia las excelentes condiciones de investigación que ofrece el HZDR con su estrecha red internacional. "Para mi, es un lugar ideal para mi interés en la investigación fundamental, "dice el físico." Y si entendemos los procesos cuánticos en estos cristales con geometría frustrada, también podrían surgir aplicaciones ".

Joachim Wosnitza también ve un gran potencial en las exóticas propiedades magnéticas de estos cristales. "Uno podría imaginar sistemas cuánticos de larga duración en los que los espines magnéticos se pueden utilizar de manera controlada, ", dice Wosnitza." Aún no se puede anticipar si esto conducirá a una computadora cuántica o un sensor especial, sin embargo. "El camino hacia tales aplicaciones aún podría ser muy largo. Pero con sus mediciones exitosas, los investigadores del HZDR no tienen motivos para sentirse frustrados, a diferencia de sus muestras de cristal.