Un líquido de espín cuántico es un estado de la materia en el que los espines cuánticos que interactúan no se alinean ni siquiera a las temperaturas más bajas. pero sigue desordenado. La investigación sobre este estado se ha llevado a cabo durante casi 50 años, pero nunca se ha probado más allá de toda duda si realmente existe. Un equipo internacional dirigido por el físico Prof. Martin Dressel de la Universidad de Stuttgart ha puesto fin al sueño de un líquido de espín cuántico por el momento. Sin embargo, el asunto sigue siendo apasionante.

Cuando las temperaturas caen por debajo de cero grados Celsius, el agua se convierte en hielo. Pero, ¿todo se congela realmente si lo enfrías lo suficiente? En la imagen clásica, la materia se vuelve inherentemente sólida a bajas temperaturas. La mecánica cuántica puede, sin embargo, romper esta regla. Por lo tanto, gas helio, por ejemplo, puede volverse líquido a -270 grados, pero nunca sólido a presión atmosférica:no hay hielo de helio.

Lo mismo ocurre con las propiedades magnéticas de los materiales:a temperaturas suficientemente bajas, los momentos magnéticos conocidos como 'giros', por ejemplo, organizarse de tal manera que estén orientados en sentido opuesto / antiparalelo a sus respectivos vecinos. Uno puede pensar en esto como flechas que apuntan alternativamente hacia arriba y hacia abajo a lo largo de una cadena o en un patrón de tablero de ajedrez. Se vuelve frustrante cuando el patrón se basa en triángulos:mientras que dos giros pueden alinearse en direcciones opuestas, el tercero siempre es paralelo a uno de ellos y no al otro, no importa cómo lo gires.

Por este problema, La mecánica cuántica sugiere la solución de que la orientación y el enlace de dos espines no son rígidos, pero los giros fluctúan. El estado formado se denomina líquido de espín cuántico en el que los espines constituyen un conjunto entrelazado mecánicamente cuántico. Esta idea fue propuesta hace casi cincuenta años por el premio Nobel estadounidense Phil W. Anderson (1923-2020). Después de décadas de investigación, sólo quedan un puñado de materiales reales en la búsqueda de este exótico estado de la materia. Como un 'candidato' particularmente prometedor se consideró una red triangular en un compuesto orgánico complejo, en el que no se pudo observar ningún orden magnético con un patrón regular de arriba hacia abajo, incluso a temperaturas extremadamente bajas. ¿Era esta la prueba de que los líquidos de espín cuántico realmente existen?

Un problema es que es extremadamente difícil medir los giros de los electrones a temperaturas tan extremadamente bajas, especialmente a lo largo de diferentes direcciones de cristal y en campos magnéticos variables. Todos los experimentos anteriores han podido sondear líquidos de espín cuántico solo más o menos indirectamente, y su interpretación se basa en ciertos supuestos y modelos. Por lo tanto, Un nuevo método de espectroscopia de resonancia de espín de electrones de banda ancha se ha desarrollado durante muchos años en el Instituto de Física 1 de la Universidad de Stuttgart.

Usando líneas de microondas en chip, se pueden observar directamente las propiedades de los espines hasta unas pocas centésimas de grado por encima del cero absoluto. Al hacerlo, los investigadores encontraron que los momentos magnéticos no se organizan en el patrón de arriba hacia abajo de un imán típico, tampoco forman un estado dinámico parecido a un líquido. "De hecho, observamos los giros en pares separados espacialmente. Por lo tanto, nuestros experimentos han destrozado el sueño de un líquido de espín cuántico por ahora, al menos para este compuesto, "resume el profesor Martin Dressel, director del Instituto de Física 1.

Pero a pesar de que los pares no fluctuaron como se esperaba, este exótico estado fundamental de la materia no ha perdido nada de su fascinación para los físicos. "Queremos investigar si los líquidos de espín cuántico podrían ser detectables en otros compuestos de celosía triangular o incluso en sistemas completamente diferentes, como estructuras de panal", Dressel describe los próximos pasos. Sin embargo, También podría ser que un desordenado, El estado dinámico simplemente no existe en la naturaleza. Quizás todo tipo de interacción conduzca de una forma u otra a un arreglo regular si la temperatura es lo suficientemente baja. A los giros les gusta emparejarse.