Suena como un acertijo:¿Qué obtienes si tomas dos diamantes pequeños, poner un pequeño cristal magnético entre ellos y apretarlos muy lentamente?

La respuesta es un líquido magnético, lo que parece contradictorio. Los líquidos se vuelven sólidos bajo presión, pero no generalmente al revés. Pero este descubrimiento fundamental inusual, presentado por un equipo de investigadores que trabajan en Advanced Photon Source (APS), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE, puede proporcionar a los científicos nuevos conocimientos sobre la superconductividad de alta temperatura y la computación cuántica.

Aunque los científicos e ingenieros han estado utilizando materiales superconductores durante décadas, el proceso exacto por el cual los superconductores de alta temperatura conducen la electricidad sin resistencia sigue siendo un misterio de la mecánica cuántica. Los signos reveladores de un superconductor son una pérdida de resistencia y una pérdida de magnetismo. Los superconductores de alta temperatura pueden operar a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido (-320 grados Fahrenheit), haciéndolos atractivos para líneas de transmisión sin pérdidas en redes eléctricas y otras aplicaciones en el sector energético.

Pero nadie sabe realmente cómo los superconductores de alta temperatura alcanzan este estado. Este conocimiento es necesario para aumentar la temperatura de funcionamiento de estos materiales hacia la temperatura ambiente, algo que sería necesario para la implementación a gran escala de superconductores en redes eléctricas que ahorran energía.

Una idea presentada en 1987 por el difunto teórico Phil Anderson de la Universidad de Princeton implica poner materiales en un estado líquido de espín cuántico, que Anderson propuso podría conducir a una superconductividad de alta temperatura. La clave son los giros de los electrones en cada uno de los átomos del material, que bajo ciertas condiciones pueden ser empujados a un estado en el que se vuelven "frustrados" e incapaces de organizarse en un patrón ordenado.

Para aliviar esta frustración las direcciones de espín de los electrones fluctúan en el tiempo, solo alineándose con giros vecinos durante cortos períodos de tiempo, como un liquido. Son estas fluctuaciones las que pueden ayudar en la formación del par de electrones necesaria para la superconductividad a alta temperatura.

La presión proporciona una forma de "sintonizar" la separación entre los espines de los electrones y llevar un imán a un estado frustrado en el que el magnetismo desaparece a una cierta presión y emerge un líquido de espín. según Daniel Haskel, el físico y líder del grupo en la División de Ciencias de Rayos X (XSD) de Argonne que dirigió un equipo de investigación a través de una serie de experimentos en el APS para hacer precisamente eso. El equipo incluía al físico asistente de Argonne Gilberto Fabbris y los físicos Jong-Woo Kim y Jung Ho Kim, todo XSD.

Haskel tiene cuidado de decir que los resultados de su equipo, publicado recientemente en Cartas de revisión física , no demuestran de manera concluyente la naturaleza cuántica del estado líquido de espín, en el que los espines atómicos continuarían moviéndose incluso a temperaturas de cero absoluto, se necesitarían más experimentos para confirmarlo.

Pero sí muestran eso aplicando una presión lenta y constante, algunos materiales magnéticos se pueden empujar a un estado similar al de un líquido, en el que el electrón gira se desordena y el magnetismo desaparece, preservando al mismo tiempo la disposición cristalina de los átomos que albergan los espines de los electrones. Los investigadores confían en que han creado un líquido de centrifugado, en el que los espines del electrón están desordenados, pero no están seguros de si esos giros están enredados, lo que sería un signo de un líquido de espín cuántico.

Si se trata de un líquido de espín cuántico, Haskel dijo:la capacidad de crear uno mediante este método tendría amplias implicaciones.

"Algunos tipos de líquidos de espín cuántico pueden permitir la computación cuántica sin errores, "Haskel dijo." Un líquido de espín cuántico es una superposición de estados de espín, fluctuante pero enredado. Es justo decir que este proceso, ¿Debería crear un líquido de espín cuántico con superposición cuántica, habrá hecho un qubit, el bloque de construcción básico de una computadora cuántica ".

Entonces, ¿qué hizo el equipo? y como lo hicieron Eso nos devuelve a los diamantes parte de una configuración experimental única en el APS. Los investigadores utilizaron dos yunques de diamantes, cortar de manera similar a lo que verías en las joyerías, con una base ancha y una más estrecha, borde plano. Colocaron los bordes planos más pequeños juntos, insertó una muestra de material magnético (en este caso una aleación de estroncio-iridio) entre ellos, y empujado.

"La idea es que, al presionarlo, acerca los átomos, "dijo Fabbris." Y como podemos hacerlo lentamente, podemos hacer eso continuamente, y podemos medir las propiedades de la muestra a medida que aumentamos la presión ".

Cuando Fabbris dice que la presión se aplicó lentamente, no está bromeando:cada uno de estos experimentos tomó aproximadamente una semana, él dijo, utilizando una muestra de aproximadamente 100 micrones de diámetro, o aproximadamente del ancho de una fina hoja de papel. Dado que los investigadores no sabían a qué presión desaparecería el magnetismo, tenían que medir cuidadosamente con cada ligero aumento.

Y verlo desaparecer lo hicieron alrededor de 20 gigapascales, equivalente a 200, 000 atmósferas, o aproximadamente 200 veces más presión que la que se puede encontrar en el fondo de la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico, la trinchera más profunda de la Tierra. Los espines de los electrones permanecieron correlacionados en distancias cortas, como un liquido, pero permaneció desordenado incluso a temperaturas tan bajas como 1,5 Kelvin (-457 grados Fahrenheit).

El truco, Haskel dijo, y la clave para crear un estado líquido de espín, era preservar el orden cristalino y la simetría de la disposición atómica, Dado que el efecto no deseado del desorden aleatorio en las posiciones atómicas habría llevado a un estado magnético diferente, uno sin las propiedades únicas del estado líquido de giro. Haskel compara los giros de electrones con los vecinos de una cuadra:a medida que se acercan, todos quieren hacerse felices unos a otros, cambiando su dirección de giro para que coincida con la de sus vecinos. El objetivo es acercarlos tanto que no es posible que mantengan felices a todos sus vecinos. por lo tanto, "frustran" sus interacciones de giro, sin dejar de mantener la estructura de la manzana.

El equipo de investigación utilizó las intensas capacidades de imágenes de rayos X del APS para medir el magnetismo de la muestra, y según Haskel y Fabbris, el APS es la única instalación en los Estados Unidos donde se podría realizar un experimento de este tipo. En particular, Fabbris dijo:la capacidad de concentrarse en un tipo de átomo, ignorando a todos los demás, fue crucial.

"Las muestras son muy pequeñas, y si intenta medir el magnetismo con otras técnicas en un laboratorio universitario, Recogerá la señal magnética de los componentes en la celda del yunque de diamante, "Dijo Fabbris." Las mediciones que hicimos son imposibles sin una fuente de luz como el APS. Es excepcionalmente capaz de hacer esto ".

Ahora que el equipo ha alcanzado un estado líquido de giro, ¿que sigue? Se necesita más experimentación para ver si se ha creado un líquido de espín cuántico. Los experimentos futuros implicarán probar la naturaleza de la dinámica de espín y las correlaciones más directamente en el estado líquido de espín. Pero los resultados recientes, Haskel dijo:proporcionar un camino para realizar estos estados cuánticos esquivos, uno que podría conducir a nuevos conocimientos sobre la superconductividad y las ciencias de la información cuántica.

Haskel también señaló la actualización de APS, un proyecto masivo que verá el brillo del instrumento aumentado hasta 1, 000 veces. Esta, él dijo, permitirá sondas mucho más profundas en estos fascinantes estados de la materia.

"Depende de la imaginación de cualquiera qué sorprendentes efectos de la mecánica cuántica están esperando ser descubiertos, " él dijo.