Estado cuántico inusual de la materia observado por primera vez

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Una muestra del imán a base de cerio frustrado, Ce2Zr2O7, diseñado en el laboratorio de Andrea Bianchi. Crédito: Universidad de Montreal

No todos los días descubrimos 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 lo que hizo un equipo internacional de investigadores, incluido Andrea Bianchi, profesor de física en la Universidad de Montreal e investigador del Reagrupamiento de Materiales Avanzados de Quebec, y sus alumnos Avner Fitterman y Jérémi Dudemaine.

En un artículo reciente publicado en la revista científica Exploración física XLos investigadores documentan un “estado fundamental líquido de espín cuántico” en un material magnético creado en el laboratorio de Bianchi: este2Zr2O7un compuesto compuesto de cerio, circonio y oxígeno.

Como un líquido encerrado en un sólido extremadamente frío.

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

En algunos materiales, el giro da como resultado una estructura desorganizada similar a la de las moléculas en un líquido, de ahí el término “líquido de giro”.

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 principal característica 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 continúa fluctuando a medida que el material se enfría en lugar de estabilizarse en estado sólido, como es el caso de un imán clásico, en el que todos los giros están alineados.

El arte de “frustrar” electrones

Imagina un electrón como una pequeña brújula apuntando hacia arriba o hacia abajo. En los imanes convencionales, los giros de los electrones apuntan todos en la misma dirección, hacia arriba o hacia abajo, creando lo que se llama una “fase ferromagnética”. Es lo que mantiene las fotos y notas clavadas en tu nevera.

Pero en los líquidos de espín cuántico, los electrones se colocan en una red triangular y forman un “trío” 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 espín y por tanto el estado líquido, incluso a muy bajas temperaturas”.

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

Creando un trío

Entra el imán frustrado Esto2Zr2O7 creado por Bianchi en su laboratorio. A su ya larga lista de logros en el desarrollo de materiales avanzados como los superconductores, ahora podemos agregar “maestro en el arte de frustrar imanes”.

Este2Zr2O7 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 particularmente pura. Usamos muestras fundidas en un horno óptico para producir una disposición triangular casi perfecta de átomos, luego verificamos el estado cuántico”.

Es este triángulo casi perfecto el que permitió a Bianchi y su equipo UdeM crear una frustración magnética en Ce2Zr2O7. Junto con investigadores de las universidades estatales de Colorado y McMaster, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, midieron la dispersión magnética del compuesto.

“Nuestras mediciones mostraron una función de partículas superpuestas, por lo que no hay picos de Bragg, una clara señal de la ausencia del orden magnético clásico”, dijo Bianchi. “También observamos una distribución de espín con direcciones que fluctúan continuamente, que es característica de los líquidos de espín y la frustración magnética. Esto indica que el material que creamos se comporta como un verdadero líquido de espín 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 cualquier físico”, dijo Bianchi. “Nuestro material es innovador porque somos los primeros en demostrar que en realidad puede tener la forma de 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 común son los ferroimanes, que deben sus propiedades magnéticas a la alineación de los 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 terminan en una red triangular, ya no pueden establecerse en una disposición común y estable. El resultado: un imán frustrado.


Encuesta por computadora confirma el primer líquido de espín cuántico en 3D


Más información:
EM Smith et al, Caso para un estado fundamental líquido de espín cuántico U(1)π en el pirocloro dipolo-octupolo Ce2Zr2O7,Exploración física X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.021015

Proporcionado por la Universidad de Montreal

Cita: Estado cuántico inusual de la materia observado por primera vez (11 de mayo de 2022) Obtenido el 11 de mayo de 2022 de https://phys.org/news/2022-05-unusual-quantum-state.html

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