En el misterioso mundo de los materiales cuánticos, las cosas no siempre se comportan como esperamos. Estos materiales tienen propiedades únicas regidas por las reglas de la mecánica cuántica, lo que a menudo significa que pueden realizar tareas de maneras que los materiales tradicionales no pueden (como conducir electricidad sin pérdidas) o tener propiedades magnéticas que pueden resultar útiles en tecnologías avanzadas.
Algunos materiales cuánticos presentan pequeñas ondas magnéticas llamadas magnones que los atraviesan y que se comportan de maneras desconcertantes. Comprender los magnones nos ayuda a descubrir secretos de cómo funcionan los imanes a nivel microscópico, lo cual es crucial para la próxima generación de electrónica y computadoras.
Los científicos han estado estudiando cómo actúan estos magnones bajo fuertes campos magnéticos y pensaban que sabían qué esperar... hasta ahora. En un nuevo estudio en Nature Communications , investigadores dirigidos por Henrik Rønnow y Frédéric Mila en la EPFL han desvelado un comportamiento nuevo e inesperado en el material cuántico borato de cobre y estroncio, SrCu2 (BO3 )2 . El estudio desafía nuestra comprensión actual de la física cuántica, pero también sugiere posibilidades interesantes para tecnologías futuras.
Pero ¿por qué este material? Los detalles son bastante técnicos, pero SrCu2 (BO3 )2 es importante en el campo de los materiales cuánticos porque es el único ejemplo conocido en el mundo real del "modelo Shastry-Sutherland", un marco teórico para comprender estructuras donde la disposición y las interacciones de los átomos les impiden establecerse en un estado simple y ordenado. .
Estas estructuras se conocen como "redes altamente frustradas" y a menudo confieren al material cuántico comportamientos y propiedades complejos e inusuales. Entonces, la estructura única de SrCu2 (BO3 )2 lo convierte en un candidato ideal para estudiar transiciones y fenómenos cuánticos complejos.
Dispersión de neutrones y campos magnéticos masivos
Estudiar los magnones en SrCu2 (BO3 )2 , los científicos utilizaron una técnica llamada dispersión de neutrones. Básicamente, dispararon neutrones al material y midieron sus desviaciones. La dispersión de neutrones es particularmente efectiva en el estudio de materiales magnéticos, ya que los neutrones, al ser neutros en carga, pueden descifrar el magnetismo sin ser perturbados por la carga de los electrones y núcleos del material.
Este trabajo se llevó a cabo en la instalación de dispersión de neutrones de alto campo en Helmholtz-Zentrum de Berlín, que era capaz de sondear campos de hasta 25,9 Tesla, lo que lo convierte en un nivel de estudio de campo magnético sin precedentes, que permitió a los científicos observar el comportamiento de los magnones. directamente.
Luego combinaron los datos con cálculos de "estados de producto-matriz cilíndrica", un poderoso método computacional que ayudó a confirmar las observaciones experimentales de la dispersión de neutrones y comprender los comportamientos cuánticos bidimensionales del material.
El enfoque único reveló algo sorprendente:en lugar de comportarse como unidades únicas e independientes, como se esperaba, los magnones del material se emparejaban, formando "estados unidos", como emparejarse para bailar en lugar de hacerlo solo.
Este emparejamiento inusual conduce a un estado cuántico nuevo e inesperado que tiene implicaciones para las propiedades del material:la "fase espín-nemática". Piense en ello como imanes en un refrigerador:normalmente, apuntan al norte o al sur (ese es el giro), pero esta nueva fase no se trata de la dirección a la que apuntan, sino de cómo se alinean entre sí, creando un patrón único.
Este descubrimiento revela un comportamiento en materiales magnéticos nunca antes visto. Este descubrimiento de una regla oculta en la física cuántica podría llevarnos a nuevas formas de utilizar materiales magnéticos para tecnologías cuánticas en las que ni siquiera hemos pensado todavía.
Más información: Ellen Fogh et al, Condensación de estado ligado inducida por campo y fase de espín nemático en SrCu2 (BO3 )2 revelado por la dispersión de neutrones hasta 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
