El futuro de la tecnología depende, en gran parte, sobre nuevos materiales, pero el trabajo de desarrollar esos materiales comienza años antes de que se conozca su aplicación específica. Stephen Wilson, profesor de materiales en la Facultad de Ingeniería de UC Santa Bárbara, funciona en ese ámbito "mucho antes", buscando crear nuevos materiales que exhiban nuevos estados deseables.

En el artículo "Estado fundamental desordenado cuántico sintonizable en campo en el antiferromagnet de red triangular NaYbO ₂ , "publicado en la revista Física de la naturaleza , Wilson y sus colegas Leon Balents, del Instituto Kavli de Física Teórica del campus, y Mark Sherwin, profesor del Departamento de Física, describen su descubrimiento de un "estado líquido de espín cuántico" buscado durante mucho tiempo en el material NaYbO ₂ (óxido de iterbio sódico). El estudio fue dirigido por el estudiante de materiales Mitchell Bordelon y también involucró a los estudiantes de física Chunxiao Liu, Marzieh Kavand y Yuanqi Lyu, y el estudiante de licenciatura en química Lorenzo Posthuma, así como colaboradores en Boston College y en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología de EE. UU.

A nivel atómico, los electrones en la estructura reticular de un material se comportan de manera diferente, tanto individual como colectivamente, de los de otro material. Específicamente, El giro, "o el momento magnético intrínseco del electrón (similar a un imán de barra innato) y su tendencia a comunicarse y coordinarse con los momentos magnéticos de los electrones cercanos difiere según el material. Se sabe que ocurren varios tipos de sistemas de espín y patrones colectivos de ordenación de estos momentos , y los científicos de materiales siempre buscan nuevos, incluyendo aquellos que han sido hipotetizados pero que aún no se ha demostrado que existan.

"Hay ciertos, momentos más clásicos que le permiten saber con un alto grado de certeza que el giro apunta en una dirección particular, "Wilson explicó." En esos, los efectos cuánticos son pequeños. Pero hay ciertos momentos en los que los efectos cuánticos son grandes, y no puedes orientar el giro con precisión, entonces hay incertidumbre, lo que llamamos 'fluctuación cuántica' ".

Los estados magnéticos cuánticos son aquellos en los que el magnetismo de un material es impulsado principalmente por tales fluctuaciones cuánticas, generalmente derivado del principio de incertidumbre, intrínseco a los momentos magnéticos. "Entonces, imaginas un momento magnético, pero el principio de incertidumbre dice que no puedo orientar perfectamente eso en una dirección, "Señaló Wilson.

Explicando el estado líquido de espín cuántico, que se propuso hace mucho tiempo y es el tema de este artículo, Wilson dijo, "En materiales convencionales, los momentos magnéticos se comunican entre sí y quieren orientarse entre sí para formar algún patrón de orden ". En materiales clásicos, este orden se ve interrumpido por fluctuaciones térmicas, lo que Wilson describe como "solo calor del medio ambiente".

"Si el material está lo suficientemente caliente, no es magnético, lo que significa que los momentos están mezclados entre sí, ", explicó." Una vez que el material se enfría, los momentos empiezan a comunicarse, de manera que su conexión entre sí supera las fluctuaciones térmicas y forman un estado ordenado. Eso es magnetismo clásico ".

Pero las cosas son diferentes en el mundo cuántico, y los momentos magnéticos que fluctúan pueden ser en realidad el "estado fundamental" inherente de un material.

"Entonces, puede preguntar si hay un estado magnético en el que los momentos no se congelen o formen algún patrón de orden de largo alcance entre sí, no por fluctuaciones térmicas, pero en vez, por fluctuaciones cuánticas, "Wilson dijo." Las fluctuaciones cuánticas se vuelven más relevantes a medida que un material se enfría, mientras que las fluctuaciones térmicas aumentan a medida que se calienta, por lo que desea encontrar un imán que no ordene hasta que pueda enfriarlo lo suficiente como para que las fluctuaciones cuánticas impidan que se ordene ".

Ese desorden cuántico es deseable porque está asociado con el entrelazamiento, la cualidad de la mecánica cuántica que permite codificar información cuántica. Para determinar si el NaYbO2 podría exhibir esa característica, los investigadores tuvieron que determinar el intrínseco, o estado fundamental de los momentos magnéticos del material cuando se eliminan todas las fluctuaciones térmicas. En este sistema en particular, Wilson pudo determinar experimentalmente que los momentos magnéticos están intrínsecamente en una fluctuación, estado desordenado, confirmando así que existe un estado cuántico desordenado.

Para encontrar el estado hipotético, dijo Wilson, "Primero tienes que poner momentos magnéticos altamente cuánticos en un material, pero su material debe estar construido de tal manera que los momentos no quieran ordenar. Lo haces usando el principio de 'frustración magnética' ".

Una forma sencilla de pensar en eso, según Wilson, es imaginar un solo triángulo en la estructura de celosía del material. "Digamos que construyo mi material de modo que todos los momentos magnéticos estén ubicados en una celosía triangular, " él dijo, "y todos hablan entre sí de una manera que los hace querer orientarse antiferromagnéticamente, o antiparalelo, a otro."

En ese arreglo, cualquier momento adyacente en el triángulo quiere orientarse antiparalelo a su vecino. Pero como hay un número impar de puntos, tienes uno arriba en un punto y otro abajo (antiparalelo al primero) en el segundo punto, lo que significa que el tercer momento tiene un momento orientado de manera diferente en cada lado, por lo que no sabe qué hacer. Todos los momentos compiten entre sí.

"Eso es frustración magnética, y, como resulta, reduce la temperatura a la que los momentos finalmente son capaces de encontrar algún arreglo en el que todos estén de acuerdo, Wilson dijo. por ejemplo, clásicamente, la naturaleza decide que a cierta temperatura los momentos no coincidentes coinciden en que todos apuntarán a 120 grados entre sí. Así que no todos están 100 por ciento felices, pero es un compromiso que establece un estado ordenado ".

Desde allí, él agregó, "La idea es tomar una celosía frustrada donde ya has suprimido el estado ordenado, y agregarle fluctuaciones cuánticas, que asumen el control a medida que enfría el material. La frustración magnética reduce la temperatura de pedido lo suficiente como para que las fluctuaciones cuánticas eventualmente se hagan cargo y el sistema pueda estabilizarse en un estado de espín cuántico fundamentalmente desordenado ".

Wilson continuó:"Ese es el paradigma de lo que la gente está buscando; sin embargo, algunos materiales pueden parecer mostrar este estado cuando en realidad, ellos no lo hacen. Por ejemplo, todos los materiales reales tienen desorden, como desorden químico o estructural, y esto también puede evitar que los momentos magnéticos se comuniquen entre sí de manera eficaz y se ordenen. En cuyo caso, Wilson dice, "Pueden formar un estado desordenado, pero es más congelado o estático, estado desordenado de lo que es un estado cuántico dinámico.

"Entonces, si tengo un sistema magnético que no ordena a las temperaturas más bajas que puedo medir, puede ser complicado tratar de entender si lo que estoy midiendo es un tipo de estado fluctuante líquido de espín cuántico intrínseco o un estado congelado, extrínseco, estado desordenado químicamente impulsado. Eso siempre se debate ".

Entre los hallazgos más interesantes sobre este nuevo material, Wilson dijo, es que incluso a la temperatura más baja que se puede medir, 0,005 grados centígrados por encima del cero absoluto, todavía no se ordena.

"Sin embargo, en este material también podemos aplicar un campo magnético, que rompe esta competencia engendrada por la frustración magnética, y luego podemos llevarlo a la orden, induciendo un tipo especial de estado antiferromagnético, ", agregó." La razón por la que es importante es porque este estado especial es muy delicado y una muy buena huella dactilar de la cantidad de desorden químico que hay en el sistema y su influencia en el estado fundamental magnético. El hecho de que podamos conducir este estado impulsado por el campo nos dice que el estado desordenado que vemos a baja temperatura con un campo magnético cero es de hecho un estado intrínsecamente desordenado cuántico. consistente con ser un estado líquido de espín cuántico ".