No hay forma conocida de demostrar que existe un "líquido de espín cuántico" tridimensional, así que los físicos de la Universidad de Rice y sus colaboradores hicieron lo mejor:demostraron que sus monocristales de cerio circonio pirocloro tenían el material adecuado para calificar como la primera versión posible en 3-D del estado de la materia tan buscado.

A pesar del nombre un líquido de espín cuántico es un material sólido en el que la extraña propiedad de la mecánica cuántica, el entrelazamiento, asegura un estado magnético similar al líquido.

En un artículo de esta semana en Física de la naturaleza , Los investigadores ofrecieron una gran cantidad de evidencia experimental, incluidos experimentos cruciales de dispersión de neutrones en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) y experimentos de relajación de espín de muones en el Instituto Paul Scherrer de Suiza (PSI), para respaldar su caso de que el pirocloro de circonio cerio, en su forma monocristalina, es el primer material que califica como líquido de espín cuántico tridimensional.

"Un líquido de espín cuántico es algo que los científicos definen en función de lo que no ves, "dijo Pengcheng Dai de Rice, autor correspondiente del estudio y miembro del Centro de Materiales Cuánticos de Rice (RCQM). "No ves un orden de largo alcance en la disposición de los giros. No ves el desorden. Y varias otras cosas. No es esto. No es eso. No hay una identificación positiva concluyente".

Se cree que las muestras del equipo de investigación son las primeras de su tipo:Pyrochlores debido a su proporción de cerio de 2 a 2 a 7, circonio y oxígeno, y monocristales porque los átomos dentro de ellos están dispuestos en forma continua, celosía ininterrumpida.

"Hemos hecho todos los experimentos que se nos ocurrieron con este compuesto, "Dijo Dai". (Coautora del estudio) El grupo de Emilia Morosan en Rice hizo un trabajo de capacidad calorífica para demostrar que el material no sufre una transición de fase hasta 50 milikelvin. Hicimos una cristalografía muy cuidadosa para mostrar que no hay desorden en el cristal. Hicimos experimentos de relajación de espín de muones que demostraron una ausencia de orden magnético de largo alcance hasta 20 milikelvin, e hicimos experimentos de difracción que demostraron que la muestra no tiene vacante de oxígeno u otros defectos conocidos. Finalmente, hicimos una dispersión de neutrones inelástica que mostró la presencia de un continuo de excitación de espín, que puede ser un sello líquido de espín cuántico, hasta 35 milikelvin ".

Dai, profesor de física y astronomía, atribuyó el éxito del estudio a sus colegas, en particular, los coautores principales Bin Gao y Tong Chen y el coautor David Tam. Gao, un asociado de investigación postdoctoral de Rice, creó las muestras de monocristal en un horno de zona flotante láser en el laboratorio del coautor de la Universidad de Rutgers, Sang-Wook Cheong. Pinza un Ph.D. de Rice estudiante, ayudó a Bin a realizar experimentos en ORNL que produjeron un continuo de excitación de espín indicativo de la presencia de entrelazamiento de espines que produce un orden de corto alcance, y Tam, también un Ph.D. de Rice. estudiante, llevó a cabo experimentos de rotación de espín de muones en PSI.

A pesar del esfuerzo del equipo, Dai dijo que es imposible decir definitivamente que el cerio-circonio 227 es un líquido de centrifugado, en parte porque los físicos aún no se han puesto de acuerdo sobre qué prueba experimental es necesaria para hacer la declaración, y en parte porque la definición de un líquido de espín cuántico es un estado que existe a la temperatura del cero absoluto, un ideal más allá del alcance de cualquier experimento.

Se cree que los líquidos de espín cuántico ocurren en materiales sólidos que están compuestos de átomos magnéticos en arreglos cristalinos particulares. La propiedad inherente de los electrones que conduce al magnetismo es el espín, y los giros de electrones solo pueden apuntar hacia arriba o hacia abajo. En la mayoría de los materiales, los giros se barajan al azar como una baraja de cartas, pero los materiales magnéticos son diferentes. En los imanes de los refrigeradores y dentro de las máquinas de resonancia magnética, los giros perciben a sus vecinos y se organizan colectivamente en una dirección. Los físicos llaman a esto "orden ferromagnético de largo alcance, "y otro ejemplo importante de orden magnético de largo alcance es el antiferromagnetismo, donde los giros se organizan colectivamente en una repetición, arriba abajo, patrón de arriba hacia abajo.

"En un sólido con una disposición periódica de giros, si sabes lo que hace un giro por aquí, puedes saber lo que está haciendo un giro, muchos, muchas repeticiones de distancia debido a un orden de largo alcance, "dijo el físico teórico de Rice y coautor del estudio, Andriy Nevidomskyy, profesor asociado de física y astronomía y miembro de RCQM. "En un líquido, por otra parte, no hay orden de largo alcance. Si miras dos moléculas de agua separadas por un milímetro, por ejemplo, no hay correlación alguna. Sin embargo, debido a sus enlaces hidrógeno-hidrógeno, todavía pueden tener una disposición ordenada a distancias muy cortas con moléculas cercanas, lo que sería un ejemplo de orden de corto alcance ".

En 1973, El físico ganador del premio Nobel Philip Anderson propuso la idea de los líquidos de espín cuántico basándose en la constatación de que esa disposición geométrica de los átomos en algunos cristales podría hacer imposible que los espines entrelazados se orienten colectivamente en arreglos estables.

Como describió acertadamente el destacado escritor científico Philip Ball en 2017, "Imagine un antiferromagnet, en el que los espines adyacentes prefieren estar orientados de manera opuesta, en una red triangular. Cada espín tiene dos vecinos más cercanos en un triángulo, pero la alineación antiparalela no puede satisfacerse para todo el trío. Una posibilidad es que la celosía de espín se congele en un estado 'vidrioso' desordenado, pero Anderson demostró que la mecánica cuántica permite la posibilidad de giros fluctuantes incluso en el cero absoluto (temperatura). Este estado se llama líquido de espín cuántico, y Anderson sugirió más tarde que podría estar conectado a la superconductividad de alta temperatura ".

La posibilidad de que los líquidos de espín cuántico puedan explicar la superconductividad a alta temperatura despertó un interés generalizado entre los físicos de la materia condensada desde la década de 1980. y Nevidomskyy dijo que el interés aumentó aún más cuando se "sugirió que algunos ejemplos de los llamados líquidos de espín cuántico topológico pueden ser susceptibles de construir qubits" para la computación cuántica.

"Pero creo que parte de la curiosidad sobre los líquidos de espín cuántico es que ha resurgido en muchas encarnaciones y propuestas teóricas, ", dijo." Y aunque tenemos modelos teóricos donde sabemos, de hecho, que el resultado será un líquido de centrifugado, encontrar un material físico real que cumpla con esas propiedades tiene, hasta aquí, probado muy difícil. No hay consenso en el campo, hasta ahora, que cualquier material, 2-D o 3-D, es un líquido de espín cuántico ".