Crédito:grupo SQM, Laboratoire de physique des solides, Orsay, Univ. Paris-Saclay.
A temperaturas suficientemente bajas, Los sistemas magnéticos típicamente se convierten en cristales sólidos. Un fenómeno de renombre por el que ocurre esto es el ferromagnetismo, que ocurre cuando todos los momentos o espines elementales interactúan en la escala atómica (es decir, la llamada interacción de Heisenberg) y alinearse en una dirección. El ferromagnetismo sustenta el funcionamiento de varios objetos cotidianos, incluyendo brújulas, imanes de nevera y discos duros.
En algunos casos, los momentos y espines vecinos pueden anti-alinear para minimizar la energía de interacción del par. Cuando una celosía tiene una geometría triangular, sin embargo, esta minimización por pares se vuelve imposible, dando lugar a un fenómeno conocido como "frustración". La frustración parece ser una herramienta única para derrotar los paradigmas del magnetismo clásico y permitir que emerjan estados cuánticos más exóticos.
Los físicos han estado realizando estudios destinados a determinar el estado fundamental de los imanes cuánticos frustrados durante varias décadas. ya que esto podría tener importantes implicaciones para la física de la materia condensada. Sobre la base de estos estudios previos, Investigadores de la Universidad Paris-Saclay y otras instituciones en Francia han llevado a cabo recientemente un experimento destinado a revelar el estado fundamental de la kagome cuántica arquetípica ZnCu. 3 (OH) 6 Cl 2 .
"En una celosía triangular, los giros se ordenarían clásicamente en un ángulo de 120 grados, el mejor compromiso en ese contexto frustrante, "Philippe Mendels, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En la década de 1970, Phil Anderson propuso una alternativa a este mejor compromiso cuando los efectos cuánticos se vuelven importantes, como con medias vueltas, el llamado estado de enlace de valencia resonante. Los giros vecinos todavía se ensamblarían (casarían) en pares y se desmontarían (divorciaron) para crear pares entre nuevos socios, lo que lleva a un ensamblaje de pares típicamente fluctuante ".
El estado fundamental fluctuante persistentemente teorizado por Anderson se conoce como estado de 'giro líquido', ya que se asemeja al estado observado en líquidos. Este es un estado muy enredado con miles de millones de giros, donde los giros individuales pierden su identidad y se funden en un estado colectivo macroscópico.
"La idea del estado líquido de espín fue revivida por el propio Anderson como semilla de la superconductividad de alta temperatura descubierta en la década de 1980, "Mendels explicó." En los años 90, la gente empezó a preguntarse bajo qué condiciones este estado RVB podría estabilizarse en antiferromagnetos. Los investigadores pronto descubrieron que el kagome, una celosía en forma de estrella de David compuesta de triángulos que comparten esquinas, puede ser la estructura ideal en la que buscar líquidos de hilado, particularmente usando giros cuánticos 1/2, que son más propensos a las fluctuaciones ".
Durante las ultimas décadas, muchos estudios se centraron en dos preguntas de investigación simples:si es realmente posible estabilizar un estado líquido de espín en una red de kagome, y de ser así, cuál es el estado fundamental más estable que se puede lograr. La evidencia ahora sugiere que es posible lograr un estado líquido de espín en las celosías de kagome, sin embargo, sigue sin estar claro cuál es el estado más estable que se puede lograr.
Estructura de herbertsmithita. Crédito:Khuntia et al.
"Mientras que en el lado experimental, los materiales de kagome son escasos, uno de ellos, y probablemente sea el mejor ejemplo hasta la fecha, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 , se sintetizó por primera vez a mediados de la década de 2000 y se produjo en forma cristalina solo en la década de 2010, ", Dijo Mendels." Este fantástico material permite a la comunidad del magnetismo cuántico desafiar las predicciones teóricas, y ahora aumenta nuestra comprensión actual del problema ".
En su estudio, que apareció en Física de la naturaleza , Mendels y sus colegas investigaron las propiedades magnéticas del kagome ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 estado fundamental. Su objetivo final era descubrir a qué clase de líquidos de hilado pertenece este material.
"La naturaleza no es perfecta, y aunque probablemente sea el mejor prototipo del antiferromagnet de kagome, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 todavía sufre de defectos, "Dijo Mendels." Zn y Cu son demasiado similares para permanecer donde deberían idealmente para producir un antiferromagnet de spin-½ kagome perfecto. Algunos Cu 2+ los giros de hecho se ubican fuera del enrejado de Kagome y oscurecen las investigaciones, pidiendo experimentos estándar como el calor específico de magnetización ".
En sus experimentos, Mendels y sus colegas utilizaron resonancia magnética nuclear (RMN), una técnica que permite la recopilación de observaciones locales y que es la base de la resonancia magnética (MRI), uno de los métodos más utilizados para detectar afecciones médicas. Mediante RMN de baja temperatura, pudieron distinguir entre áreas defectuosas y no defectuosas en el material para aislar las firmas únicas de los giros de kagome. Este procedimiento finalmente permitió a los investigadores identificar características y dinámicas específicas en ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .
Al intentar discriminar entre diferentes clases de líquidos de centrifugado, Los científicos deben primero tratar de comprender cómo se rompen los pares de espines de una manera que encaje con la imagen delineada por Anderson en sus teorías. Esto significa determinar si hay una brecha entre los estados de tierra y excitados, lo que puede ser más desafiante cuando se trata de una superposición de estados cuánticos. El estudio realizado por Mendels y sus colegas podría ser uno de los primeros pasos en esta dirección.
"Al estudiar la susceptibilidad local, la respuesta a un campo magnético, y la forma en que ocurren las excitaciones cuando calentamos la muestra desde temperaturas cercanas al cero absoluto, mostramos claramente que no hay brecha en el espectro de energía de las excitaciones y discutimos cierta coherencia con las teorías predictivas recientes sobre las excitaciones, "Dijo Mendels." Cualquiera que sea la conclusión final, proporcionamos fuertes restricciones a las teorías y reducimos la gama de modelos posibles ".
En su trabajo reciente, Mendels y sus colegas obtuvieron nuevos conocimientos valiosos sobre los estados y las características de los materiales de kagome. En general, sus hallazgos sugieren que el kagome cuántico arquetípico ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 no alberga ningún espacio de giro, que está alineado con cálculos numéricos realizados por otros equipos de investigación. En el futuro, esta importante observación podría servir como base para otros estudios de física de la materia condensada, ampliando en última instancia la comprensión actual de los imanes cuánticos frustrados.
"Uno de nuestros sueños a largo plazo es producir un si no kagome, material cuántico que podría doparse para convertirse en metal, conocer las opiniones de Anderson sobre un tipo novedoso de superconductor, ", Dijo Mendels." El alcance de este trabajo es aún más amplio, ya que la topología en materia condensada se ha vuelto muy popular después del premio Nobel de 2016. Los metales a base de Kagome son muy buscados por sus propiedades topológicas. Nuestro trabajo puede abrir nuevas vías de investigación sobre conceptos novedosos, pero también puede ayudar a abordar nuevos desafíos en la física fundamental y la ciencia de los materiales ".
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