Los materiales avanzados con propiedades más novedosas casi siempre se desarrollan agregando más elementos a la lista de ingredientes. Pero la investigación cuántica sugiere que algunos materiales más simples ya podrían tener propiedades avanzadas que los científicos simplemente no pudieron ver. hasta ahora.

Investigadores de Georgia Tech y la Universidad de Tennessee-Knoxville descubrieron un comportamiento cuántico oculto e inesperado en un material de yoduro de hierro bastante simple (FeI ₂ ) que fue descubierto hace casi un siglo. Los nuevos conocimientos de investigación sobre el comportamiento del material se permitieron mediante una combinación de experimentos de dispersión de neutrones y cálculos de física teórica en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE).

Los hallazgos del equipo, publicados en la revista Física de la naturaleza —Resuelve un acertijo de hace 40 años sobre el comportamiento misterioso del material y podría usarse como un mapa para descubrir un tesoro de fenómenos cuánticos en otros materiales.

"Nuestro descubrimiento se debió en gran parte a la curiosidad, "dijo Xiaojian Bai, el primer autor del artículo. Bai obtuvo su Ph.D. en Georgia Tech y trabaja como investigador postdoctoral en ORNL, donde usa neutrones para estudiar materiales magnéticos. "Encontré este material de yoduro de hierro en 2019 como parte de mi proyecto de tesis de doctorado. Estaba tratando de encontrar compuestos con una disposición de celosía triangular magnética que exhiba lo que se llama 'magnetismo frustrado'".

En imanes comunes, como imanes de nevera, Los electrones del material están dispuestos en una línea como flechas que apuntan todos en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, o alternan entre arriba y abajo. Las direcciones en las que apuntan los electrones se denominan "espines". Pero en materiales más complejos como el yoduro de hierro, los electrones están dispuestos en una cuadrícula triangular, donde las fuerzas magnéticas entre los tres momentos magnéticos están en conflicto y no están seguros de qué dirección apuntar; por lo tanto, 'magnetismo frustrado'.

"Mientras leía toda la literatura, Noté este compuesto, yoduro de hierro, que se descubrió en 1929 y se estudió de forma algo intensiva en los años setenta y ochenta, "dijo Bai." En ese momento, vieron alguna peculiaridad, o modos de comportamiento no convencionales, pero realmente no tenían los recursos para comprender completamente por qué lo estaban viendo. Entonces, sabíamos que había algo sin resolver que era extraño e interesante, y comparado con hace cuarenta años, disponemos de herramientas experimentales mucho más potentes, por lo que decidimos volver a examinar este problema y esperamos poder ofrecer nuevas perspectivas ".

Los materiales cuánticos se describen a menudo como sistemas que exhiben un comportamiento exótico y desobedecen las leyes clásicas de la física, como un material sólido que se comporta como un líquido, con partículas que se mueven como el agua y se niegan a congelarse o detener su movimiento incluso a temperaturas bajo cero. Entender cómo funcionan esos fenómenos exóticos, o sus mecanismos subyacentes, es la clave para hacer avanzar la electrónica y desarrollar otras tecnologías de próxima generación.

"En materiales cuánticos, dos cosas son de gran interés:fases de la materia como los líquidos, sólidos y gases, y excitaciones de esas fases, como ondas sonoras. Similar, Las ondas de giro son excitaciones de un material sólido magnético, "dijo Martin Mourigal, profesor de física en Georgia Tech. "Por mucho tiempo, nuestra búsqueda en materiales cuánticos ha sido encontrar fases exóticas, pero la pregunta que nos hicimos en esta investigación es 'Quizás la fase en sí no es aparentemente exótica, pero ¿y si sus excitaciones son? Y de hecho eso es lo que encontramos ".

Los neutrones son sondas ideales para estudiar el magnetismo porque ellos mismos actúan como imanes microscópicos y pueden usarse para interactuar y excitar otras partículas magnéticas sin comprometer la estructura atómica de un material.

Bai conoció los neutrones cuando era un estudiante graduado de Mourigal en Georgia Tech. Mourigal ha sido un usuario frecuente de dispersión de neutrones en el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR) y en la fuente de neutrones de espalación (SNS) de ORNL durante varios años. utilizar las instalaciones de los usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE para estudiar una amplia gama de materiales cuánticos y sus diversos y extraños comportamientos.

Cuando Bai y Mourigal expusieron el material de yoduro de hierro a un haz de neutrones, esperaban ver una excitación o banda de energía particular asociada con un momento magnético de un solo electrón; pero en cambio no vieron ni uno, pero dos fluctuaciones cuánticas diferentes que emanan simultáneamente.

"Los neutrones nos permitieron ver esta fluctuación oculta con mucha claridad y pudimos medir todo su espectro de excitación, pero todavía no entendíamos por qué estábamos viendo un comportamiento tan anormal en una fase aparentemente clásica, "dijo Bai.

Para obtener respuestas, recurrieron al físico teórico Cristian Batista, Profesor de la Cátedra Lincoln en la Universidad de Tennessee – Knoxville, y subdirector del Centro Shull Wollan de ORNL, un instituto conjunto de ciencias de neutrones que proporciona a los investigadores visitantes recursos y experiencia adicionales sobre dispersión de neutrones.

Con la ayuda de Batista y su grupo, el equipo pudo modelar matemáticamente el comportamiento de la misteriosa fluctuación cuántica y, después de realizar experimentos de neutrones adicionales utilizando los instrumentos CORELLI y SEQUOIA en SNS, pudieron identificar el mecanismo que estaba causando su aparición.

"Lo que predijo la teoría y lo que pudimos confirmar con neutrones, es que esta fluctuación exótica ocurre cuando se invierte la dirección de giro entre dos electrones, y sus momentos magnéticos se inclinan en direcciones opuestas, ", Dijo Batista." Cuando los neutrones interactúan con los espines de los electrones, los giros giran sincronizados a lo largo de una determinada dirección en el espacio. Esta coreografía desencadenada por la dispersión de neutrones crea una onda giratoria ".

Explicó que en diferentes materiales, Los giros electrónicos pueden adoptar muchas orientaciones diferentes y coreografías de giro que crean diferentes tipos de ondas de giro. En mecánica cuántica, este concepto se conoce como "dualidad onda-partícula, "en el que las nuevas ondas se consideran nuevas partículas y normalmente se ocultan a la dispersión de neutrones en condiciones normales.

"En un sentido, buscamos partículas oscuras, Batista agregó. No podemos verlos, pero sabemos que están ahí porque podemos ver sus efectos, o las interacciones que tienen con las partículas que podemos ver ".

"En mecánica cuántica, no hay distinción entre ondas y partículas. Entendemos el comportamiento de la partícula en función de la longitud de onda, y eso es lo que los neutrones nos permiten medir, "dijo Bai.

Mourigal comparó la forma en que los neutrones detectan partículas con las olas que rompen alrededor de las rocas en la superficie del océano.

"En aguas tranquilas no podemos ver las rocas en el fondo del océano hasta que una ola se mueve sobre él, "Dijo Mourigal." Fue solo creando tantas ondas como fuera posible con neutrones que, a través de la teoría de Cristian, Xiaojian pudo identificar las rocas, o en este caso, las interacciones que hacen visible la fluctuación oculta.

Aprovechar el comportamiento magnético cuántico ya ha llevado a avances tecnológicos como la máquina de resonancia magnética y el almacenamiento en disco duro magnético que catalizó la computación personal. Los materiales cuánticos más exóticos pueden acelerar la próxima ola tecnológica.

Además de Bai, Mourigal, y Batista, Los autores del artículo incluyen a Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, y Feng Ye.

Desde su descubrimiento, el equipo ha utilizado esos conocimientos para desarrollar y probar predicciones en un conjunto más amplio de materiales que esperan producirá resultados más prometedores.

"A medida que introducimos más ingredientes en un material, también aumentamos los problemas potenciales como el desorden y las heterogeneidades. Si realmente queremos comprender y crear sistemas limpios de mecánica cuántica basados ​​en materiales, volver a estos sistemas simples podría ser más importante de lo que pensamos, "dijo Mourigal.

"Así que eso resuelve el rompecabezas de 40 años de la misteriosa excitación en el yoduro de hierro, ", dijo Bai." Hoy tenemos la ventaja de los avances de las instalaciones de neutrones a gran escala como SNS que nos permiten básicamente sondear todo el espacio de energía y momento de un material para ver qué está sucediendo con estas excitaciones exóticas.

"Ahora que entendemos cómo funciona este comportamiento exótico en un material relativamente simple, podemos imaginar lo que podríamos encontrar en los más complicados. Esta nueva comprensión nos ha motivado y, con suerte, motivará a la comunidad científica a investigar más de este tipo de materiales, lo que seguramente conducirá a una física más interesante ".