El cristal líquido es un estado de la materia que presenta propiedades tanto de líquido como de sólido. Puede fluir como un líquido, mientras que sus moléculas constituyentes están alineadas como en un sólido. El cristal líquido se utiliza ampliamente hoy en día, por ejemplo, como elemento central de los dispositivos LCD.
El análogo magnético de este tipo de material se denomina "fase espín-nemática", donde los momentos de espín desempeñan el papel de las moléculas. Sin embargo, aún no se ha observado directamente a pesar de su predicción hace medio siglo. El principal desafío surge del hecho de que la mayoría de las técnicas experimentales convencionales son insensibles a los cuadrupolos de espín, que son las características definitorias de esta fase nemática de espín.
Pero ahora, por primera vez en el mundo, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Kim Bumjoon en el Centro IBS de Sistemas Electrónicos Artificiales de Bajas Dimensiones en Corea del Sur ha logrado observar directamente los cuadrupolos de espín. Este trabajo fue posible gracias a logros notables durante las últimas décadas en el desarrollo de instalaciones de sincrotrón.
Los investigadores del IBS centraron su estudio en el óxido de iridio Sr2 de red cuadrada. IrO4 , un material previamente reconocido por su orden dipolar antiferromagnético a bajas temperaturas. Este estudio descubrió recientemente la coexistencia de un orden cuadrupolar de espín, que se vuelve observable a través de su interferencia con el orden magnético. Esta señal de interferencia fue detectada mediante 'difracción de rayos X resonante dicroica circular', una técnica avanzada de rayos X que emplea un haz de rayos X polarizado circularmente.
Una verificación adicional de este descubrimiento se produjo a través de la 'dispersión de rayos X inelástica resonante resuelta por polarización', donde se reveló que las excitaciones magnéticas se desvían significativamente de los comportamientos previstos para los imanes convencionales.
Para completar estos experimentos, los investigadores de Corea del Sur han colaborado con el Laboratorio Nacional Argonne en los EE. UU. para construir una línea de luz de dispersión de rayos X inelástica y resonante en el Laboratorio del Acelerador de Pohang durante los últimos cuatro años.
Por último, pero no menos importante, los investigadores utilizaron una serie de técnicas ópticas, incluida la espectroscopia Raman y la medición magnetoóptica del efecto Kerr, para demostrar que la formación de los momentos cuadrupolares del espín se produce a temperaturas más altas que el orden magnético. Dentro de este rango de temperatura, el óxido de iridio solo tiene momentos cuadrupolares de espín pero ningún orden magnético, lo que genera una fase nemática de espín.
En conjunto, esta es la primera observación directa de los momentos cuadripolares de espín en una fase nemática de espín.
"Esta investigación fue factible porque la infraestructura y las capacidades de los experimentos de rayos X en Corea del Sur habían alcanzado un nivel globalmente competitivo", afirma el profesor Kim Bumjoon, autor correspondiente de este estudio.
"El descubrimiento de la fase espín-nemática también tiene importantes implicaciones para la computación cuántica y las tecnologías de la información", añade el profesor Cho Gil Young, coautor de este estudio y profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang.
Otro aspecto interesante de la fase espín-nemática es su potencial para la superconductividad a alta temperatura. En la fase nemática de espín, los espines están muy entrelazados, lo que fue sugerido por el físico P. W. Anderson como un ingrediente crítico para la superconductividad de alta temperatura.
Además, dado que el óxido de iridio Sr2 IrO4 ha sido ampliamente estudiado debido a sus sorprendentes similitudes con el sistema superconductor de alta temperatura de óxido de cobre, lo que alimenta un creciente interés en este material como un sistema superconductor de alta temperatura potencialmente nuevo, así como su relación con la fase espín-nemática.
Los hallazgos se publican en la revista Nature. .
Más información: B. J. Kim, Fase nemática de espín cuántico en un iridato de celosía cuadrada, Naturaleza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Ciencias Básicas
