Artículo publicado por David L. Chandler el 19 de diciembre de 2012 en MIT News

Los experimentos demuestran un ‘líquido de espín cuántico’, el cual podría tener aplicaciones en nuevos medios de almacenamiento de memoria para ordenadores.

Basándose en anteriores predicciones teóricas, investigadores del MIT han demostrado ahora experimentalmente la existencia de un tipo fundamentalmente nuevo de comportamiento magnético, añadiéndose a los dos estados anteriormente conocidos de magnetismo.

Herbertsmitita

Herbertsmitita Crédito: Tianheng Han


El ferromagnetismo —el magnetismo simple de una barra imantada o la aguja de un compás – se conoce desde hace siglos. En un segundo tipo de magnetismo, el antiferromagnetismo, los campos magnéticos de los iones dentro de un metal o aleación se cancelan entre sí. En ambos casos, los materiales son magnéticos solo cuando se enfrían por debajo de cierta temperatura crítica. La predicción y descubrimiento del antiferromagnetismo — la base para las cabezas de lectura de los discos duros de los ordenadores actuales — ganó el premio Nobel de Física de 1970, otorgado a Louis Neel, y en 1994 para el profesor emérito del MIT Clifford Shull.

“Estamos demostrado que hay un tercer estado fundamental del magnetismo”, dice el profesor de física en el MIT Young Lee. El trabajo experimental que demuestra la existencia de este nuevo estado, conocido como líquido de espín cuántico (QSL), se publica en la revista Nature, con Lee como autor sénior y Tianheng Han, que logró su doctoriado en física a principios de 2012, como autor principal.

El QSL es un cristal sólido, pero su estado magnético se describe como un líquido: al contrario que los otros dos tipos de magnetismo, las orientaciones magnéticas de las partículas individuales dentro del mismo fluctúan constantemente, lo que recuerda al movimiento constante de las moléculas dentro de un verdadero líquido.

Hallar las pruebas

No hay un orden estático en las orientaciones magnéticas, conocidas como momentos magnéticos, dentro del material, explica Lee. “Pero existe una fuerte interacción entre ellos y, debido a los efectos cuánticos, no quedan fijos en su sitio”, comenta.

Aunque es extremadamente difícil medir, o demostrar, la existencia de  este exótico estado, comenta Lee que “este es uno de los conjuntos de datos experimentales más sólidos que hay sobre la materia. Lo que solía estar solo en los modelos teóricos, es un sistema físico real”.

Philip Anderson, destacado teórico, propuso por primera vez la idea en 1987, diciendo que este estado podría ser relevante para los superconductores de alta temperatura, señala Lee. “Desde entonces, los físicos hemos querido crear tal estado”, añade. “Solo en los últimos años es cuando se han realizado progresos”.

El propio material es un cristal del mineral herbertsmitita. Lee y sus colegas tuvieron éxito inicialmente al crear un cristal puro de gran tamaño de este material el año pasado – un proceso para el que necesitaron 10 meses— y desde entonces han estado estudiando sus propiedades en detalle.

“Fue una colaboración multidisciplinar, de físicos y químicos”, explica Lee. “Necesitas ambas… para sintetizar el material y estudiarlo con técnicas físicas avanzadas. Los teóricos también fueron clave en esto”.

Gracias a sus experimentos, el equipo realizó un descubrimiento significativo, apunta Lee: Encontraron un estado de excitaciones fraccionadas, algo que había sido predicho por algunos teóricos, pero que era una idea muy controvertida. Aunque la mayor parte de la materia tiene estados cuánticos discretos cuyos cambios se expresan como número enteros, este material QSL muestra estados cuánticos fraccionales. De hecho, los investigadores encontraron que estos estados excitados, conocidos como espinones, forman un continuo. Esta observación, dicen en su artículo de Nature, es “una novedad notable”.

Dispersar neutrones

Para medir este estado, el equipo usó una técnica conocida como dispersión de neutrones, la especialidad de Lee. Para llevar a cabo realmente las medidas, usaron un espectrómetro de neutrones en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (National Institute of Standards and Technology – NIST) en Gaithersburg, Maryland.

Los resultados, dice Lee, son “pruebas realmente sólidas de esta fraccionalización” de los estados de espín. “Es una predicción teórica fundamental para los líquidos de espín, y la vemos de forma clara y detallada por primera vez”.

Puede pasar mucho tiempo hasta que esta “investigación fundamental” se traduzca en aplicaciones prácticas, dice Lee. El trabajo podría llevar a avances en el almacenamiento de datos o en las comunicaciones, señala – tal vez usando aun exótico fenómeno cuántico conocido como entrelazamiento de largo alcance, en el que dos partículas muy lejanas pueden influir instantáneamente en el estado de la otra. Los hallazgos también podrían relacionarse con los superconductores de alta temperatura, y podrían finalmente llevar a nuevos desarrollos en este campo, comenta.

“Debemos tener una comprensión más amplia de la imagen global”, dice Lee. “No hay teoría que describa lo que estamos viendo”.

Subir Sachdev, profesor de física de la Universidad de Harvard, que no estuvo relacionado con el trabajo, dice que estos hallazgos, anticipados desde hace décadas, “son muy significativos y abren un nuevo capítulo en el estudio del entrelazamiento cuántico en sistemas de muchos cuerpos”. La detección de tales estados, dice, era una “tarea extremadamente compleja. Young Lee y su grupo han superado brillantemente estos retos en su maravilloso experimento”.


Autor: David L. Chandler
Fecha Original: 19 de diciembre de 2012
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