No todos los días alguien se encuentra con un nuevo estado de la materia en la física cuántica, el campo científico dedicado a describir el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas para dilucidar sus propiedades.

Sin embargo, esto es exactamente lo que ha hecho un equipo internacional de investigadores que incluye a Andrea Bianchi, profesor de física de la Universidad de Montreal e investigador del Regroupement québécois sur les matériaux de pointe, y sus alumnos Avner Fitterman y Jérémi Dudemaine.

En un artículo reciente publicado en la revista científica Physical Review X , los investigadores documentan un "estado fundamental líquido de espín cuántico" en un material magnético creado en el laboratorio de Bianchi:Ce₂ Zr₂ O₇ , un compuesto compuesto por cerio, circonio y oxígeno.

Como un líquido encerrado dentro de un sólido extremadamente frío

En física cuántica, el espín es una propiedad interna de los electrones ligada a su rotación. Es el giro lo que le da al material en un imán sus propiedades magnéticas.

En algunos materiales, el espín da como resultado una estructura desorganizada similar a la de las moléculas en un líquido, de ahí la expresión "líquido de espín".

En general, un material se vuelve más desorganizado a medida que aumenta su temperatura. Este es el caso, por ejemplo, cuando el agua se convierte en vapor. Pero la característica principal de los líquidos de centrifugado es que permanecen desorganizados incluso cuando se enfrían hasta el cero absoluto (–273 °C).

Los líquidos de giro permanecen desorganizados porque la dirección del giro sigue fluctuando a medida que el material se enfría en lugar de estabilizarse en un estado sólido, como ocurre en un imán convencional, en el que todos los giros están alineados.

El arte de 'frustrar' electrones

Imagina un electrón como una pequeña brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo. En los imanes convencionales, los espines de los electrones están todos orientados en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, creando lo que se conoce como "fase ferromagnética". Esto es lo que mantiene las fotos y las notas clavadas en tu nevera.

Pero en los líquidos de espín cuántico, los electrones se colocan en una red triangular y forman un "ménage à trois" caracterizado por una intensa turbulencia que interfiere con su orden. El resultado es una función de onda entrelazada y sin orden magnético.

"Cuando se agrega un tercer electrón, los giros de los electrones no pueden alinearse porque los dos electrones vecinos siempre deben tener giros opuestos, creando lo que llamamos frustración magnética", explicó Bianchi. “Esto genera excitaciones que mantienen el desorden de espines y por tanto el estado líquido, incluso a muy bajas temperaturas”.

Entonces, ¿cómo agregaron un tercer electrón y causaron tanta frustración?

Creación de un ménage a trois

Entra el imán frustrado Ce₂ Zr₂ O₇ creado por Bianchi en su laboratorio. A su ya larga lista de logros en el desarrollo de materiales avanzados como superconductores, ahora podemos agregar "maestro en el arte de frustrar imanes".

Ce₂ Zr₂ O₇ es un material a base de cerio con propiedades magnéticas. "Se conocía la existencia de este compuesto", dijo Bianchi. "Nuestro gran avance fue crearlo en una forma pura única. Usamos muestras fundidas en un horno óptico para producir una disposición triangular casi perfecta de átomos y luego verificamos el estado cuántico".

Fue este triángulo casi perfecto lo que permitió a Bianchi y su equipo en la UdeM crear una frustración magnética en Ce₂ Zr₂ O₇ . Trabajando con investigadores de las universidades McMaster y Colorado State, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, midieron la difusión magnética del compuesto.

"Nuestras mediciones mostraron una función de partículas superpuestas, por lo tanto, no hay picos de Bragg, una clara señal de la ausencia del orden magnético clásico", dijo Bianchi. "También observamos una distribución de giros con direcciones que fluctúan continuamente, lo cual es característico de los líquidos de giro y la frustración magnética. Esto indica que el material que creamos se comporta como un verdadero líquido de giro a bajas temperaturas".

Del sueño a la realidad

Después de corroborar estas observaciones con simulaciones por computadora, el equipo concluyó que, de hecho, estaban presenciando un estado cuántico nunca antes visto.

"Identificar un nuevo estado cuántico de la materia es un sueño hecho realidad para todo físico", dijo Bianchi. "Nuestro material es revolucionario porque somos los primeros en demostrar que puede presentarse como un líquido de espín. Este descubrimiento podría abrir la puerta a nuevos enfoques en el diseño de computadoras cuánticas".

Imanes frustrados en pocas palabras

El magnetismo es un fenómeno colectivo en el que los electrones de un material giran todos en la misma dirección. Un ejemplo cotidiano es el ferromagnético, que debe sus propiedades magnéticas a la alineación de espines. Los electrones vecinos también pueden girar en direcciones opuestas. En este caso, los espines todavía tienen direcciones bien definidas pero no hay magnetización. Los imanes frustrados se sienten frustrados porque los electrones vecinos intentan orientar sus espines en direcciones opuestas, y cuando se encuentran en una red triangular, ya no pueden establecerse en una disposición común y estable. El resultado:un imán frustrado. + Explora más

La investigación computacional confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D