Usando una técnica novedosa, Los científicos que trabajan en el Laboratorio Nacional de Alto Campo Magnético con sede en la Universidad Estatal de Florida han encontrado evidencia de un líquido de espín cuántico, un estado de la materia prometedor como componente básico de las computadoras cuánticas del mañana.

Los investigadores descubrieron el excitante comportamiento mientras estudiaban los llamados espines de electrones en el compuesto tricloruro de rutenio. Sus hallazgos, publicado hoy en la revista Física de la naturaleza , mostrar que los espines de electrones interactúan a través del material, reduciendo efectivamente la energía total. Este tipo de comportamiento, consistente con un líquido de espín cuántico, se detectó en el tricloruro de rutenio a altas temperaturas y en altos campos magnéticos.

Girar líquidos, teorizado por primera vez en 1973, siguen siendo un misterio. A pesar de que algunos materiales muestran signos prometedores para este estado de la materia, es extremadamente difícil confirmar definitivamente su existencia. Sin embargo, hay un gran interés en ellos porque los científicos creen que podrían usarse para el diseño de materiales más inteligentes en una variedad de aplicaciones, como la computación cuántica.

Este estudio proporciona un fuerte apoyo de que el tricloruro de rutenio es un líquido de centrifugado, dijo el físico Kim Modic, un ex estudiante de posgrado que trabajó en las instalaciones de campo pulsado de MagLab y ahora es profesor asistente en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Austria.

"Creo que este artículo proporciona una nueva perspectiva sobre el tricloruro de rutenio y demuestra una nueva forma de buscar firmas de líquidos de hilado, "dijo Modic, el autor principal del artículo.

Por décadas, Los físicos han estudiado extensamente la carga de un electrón, que lleva electricidad, allanando el camino para los avances en electrónica, energía y otras áreas. Pero los electrones también tienen una propiedad llamada espín. Los científicos también quieren aprovechar el aspecto de espín de los electrones para la tecnología, pero el comportamiento universal de los giros aún no se comprende completamente.

En lenguaje sencillo, se puede pensar que los electrones giran sobre un eje, como un trompo, orientado en alguna dirección. En materiales magnéticos, estos giros se alinean entre sí, ya sea en la misma dirección o en direcciones opuestas. Denominada ordenación magnética, este comportamiento puede ser inducido o suprimido por la temperatura o el campo magnético. Una vez que se suprime el orden magnético, podrían surgir estados más exóticos de la materia, como los líquidos de espín cuántico.

En la búsqueda de un líquido de centrifugado, el equipo de investigación se centró en el tricloruro de rutenio. Su estructura en forma de panal, con un giro en cada sitio, es como una versión magnética del grafeno, otro tema candente en la física de la materia condensada.

"El rutenio es mucho más pesado que el carbono, lo que da como resultado fuertes interacciones entre los giros, "dijo el físico de MagLab Arkady Shekhter, un coautor del artículo.

El equipo esperaba que esas interacciones aumentaran la frustración magnética en el material. Es una especie de escenario de "compañía de tres" en el que dos giros se emparejan, dejando al tercero en un limbo magnético, que frustra el orden magnético. Esa frustración el equipo planteó la hipótesis, podría conducir a un estado líquido de centrifugado. Sus datos terminaron confirmando sus sospechas.

"Parece que, a bajas temperaturas y bajo un campo magnético aplicado, el tricloruro de rutenio muestra signos del comportamiento que estamos buscando, "Dijo Modic." Los giros no se orientan simplemente dependiendo de la alineación de los giros vecinos, sino que son dinámicos, como moléculas de agua en remolino, mientras mantienen cierta correlación entre ellos ".

Los hallazgos fueron posibles gracias a una nueva técnica que el equipo desarrolló llamada magnetometría de torsión resonante. que mide con precisión el comportamiento de los espines de los electrones en campos magnéticos elevados y podría dar lugar a muchos otros conocimientos nuevos sobre los materiales magnéticos, Dijo Modic.

"Realmente no tenemos las técnicas de caballo de batalla o la maquinaria analítica para estudiar las excitaciones de los espines de los electrones, como hacemos con los sistemas de carga, ", Dijo Modic." Los métodos que existen normalmente requieren grandes tamaños de muestra, que puede no estar disponible. Nuestra técnica es muy sensible y funciona en pequeños, muestras delicadas. Esto podría cambiar las reglas del juego para esta área de investigación ".

Modic desarrolló la técnica como investigador postdoctoral y luego trabajó con los físicos de MagLab Shekhter y Ross McDonald, otro coautor del artículo, para medir el tricloruro de rutenio en campos magnéticos elevados.

Su técnica consistía en montar muestras de tricloruro de rutenio en un voladizo del tamaño de un mechón de cabello. Reutilizaron un diapasón de cuarzo, similar al de un reloj de cristal de cuarzo, para hacer vibrar el voladizo en un campo magnético. En lugar de usarlo para decir la hora con precisión, midieron la frecuencia de vibración para estudiar la interacción entre los espines en tricloruro de rutenio y el campo magnético aplicado. Realizaron sus mediciones en dos potentes imanes en el National MagLab.

"La belleza de nuestro enfoque es que es una configuración relativamente simple, lo que nos permitió realizar nuestras mediciones tanto en un imán resistivo de 35 tesla como en un imán de campo pulsado de 65 tesla, "Dijo Modic.

El siguiente paso en la investigación será estudiar este sistema en el imán pulsado de 100 tesla, récord mundial de MagLab.

"Ese campo magnético tan alto debería permitirnos observar directamente la supresión del estado líquido de espín, lo que nos ayudará a aprender aún más sobre el funcionamiento interno de este compuesto, "Dijo Shekhter.