Por Troy Oakes
No todos los días alguien se encuentra con un nuevo estado de la materia en la física cuántica, es decir, en el campo científico dedicado a describir el comportamiento de las partículas atómicas y subatómicas para así poder dilucidar sus propiedades.
Sin embargo, se observó por primera vez un nuevo estado cuántico de la materia.
Este descubrimiento lo realizó 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» (Grupo de Quebec sobre materiales avanzados- RQMP) que reúne a 70 investigadores de los sectores de la física, la química y la ingeniería, y a sus estudiantes Avner Fitterman y Jérémi Dudemaine.
En un artículo publicado recientemente en la revista científica Physical Review X, los investigadores documentan un «estado básico líquido cuántico giratorio» en un material magnético creado en el laboratorio de Bianchi: Ce2Zr2O7, un compuesto formado por:
- cerio,
- circonio y
- oxígeno.
Un líquido encerrado dentro de un sólido extremadamente frío
En física cuántica, el efecto giratorio es una propiedad interna de los electrones ligada a su rotación, es lo que confiere al material de un imán sus propiedades magnéticas.
En algunos materiales, el giro da lugar a una estructura desorganizada similar a la de las moléculas en un líquido, de ahí la expresión «líquido giratorio».
En general, cualquier material se desorganiza más a medida que aumenta su temperatura. Este es el caso, por ejemplo, cuando el agua se convierte en vapor.
Pero la principal característica del estado cuántico giratorio de los líquidos es que permanecen desorganizados incluso cuando se enfrían hasta el cero absoluto (-273°C).
Los líquidos con giro permanecen desorganizados porque la dirección 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 elementos de rotación están alineados.
El arte de «fracturar» electrones en un nuevo estado cuántico
Imagine un electrón como una pequeña brújula que apunta hacia arriba o hacia abajo. En los imanes convencionales, la rotación 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 fijadas en un refrigerador. Pero en los líquidos de giro cuántico, los electrones se colocan en una red triangular y forman un «ménage à trois» («grupo de tres») caracterizado por una intensa turbulencia que interfiere en su orden. El resultado es una función de onda enredada y sin orden magnético.
Bianchi explicó:
«Cuando se añade un tercer electrón, la rotación de los electrones no pueden alinearse porque los dos electrones vecinos deben tener siempre giros opuestos, creando lo que llamamos «Fractura magnética».
Esto genera excitaciones que mantienen el desorden de los giros, y, por lo tanto, el estado líquido, incluso a temperaturas muy bajas».
Entonces… ¿Cómo han añadido un tercer electrón y han provocado tanta fractura ?
Creando un ménage à trois («grupo de tres»)
El imán fracturado Ce2Zr2O7 fue creado por Bianchi en su laboratorio. A su ya larga lista de logros en el desarrollo de materiales avanzados como los superconductores, ahora podemos añadir «maestro del arte de los imanes fracturados «.
El Ce2Zr2O7 es un material a base de cerio con propiedades magnéticas. Bianchi dijo:
«La existencia de este compuesto era conocida. Nuestro avance fue crearlo en una forma exclusivamente pura. Utilizamos muestras fundidas de un horno óptico para producir una disposición triangular casi perfecta de los átomos y luego comprobamos el estado cuántico».
Fue este triángulo casi perfecto el que permitió a Bianchi y a su equipo de la UdeM crear una fractura magnética en el Ce2Zr2O7.
En colaboración con investigadores de las universidades McMaster y Colorado State, el Laboratorio Nacional de Los Álamos y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos de Dresde (Alemania), midieron la difusión magnética del compuesto.
Bianchi dijo:
«Nuestras mediciones mostraron una función de partículas superpuestas- por lo tanto, no hay picos de BRAGG (pérdida de energía de la radiación ionizante a medida que viaja a través de la materia)-, un claro signo de la ausencia del orden magnético clásico.
También observamos una distribución de espines con direcciones continuamente fluctuantes, lo que es característico de los líquidos de Espín y de 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
Tras corroborar estas observaciones con simulaciones por ordenador, el equipo concluyó que efectivamente estaban presenciando un estado cuántico nunca visto. dijo Bianchi:
«Identificar un nuevo estado cuántico de la materia es un sueño hecho realidad para todo físico. Nuestro material es revolucionario porque somos los primeros en demostrar que efectivamente puede presentarse como un líquido de giro. Este descubrimiento podría abrir la puerta nuevos enfoques en el diseño de ordenadores cuánticos».
Los imanes fracturados 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 un ferromagneto, que debe sus propiedades magnéticas a la alineación de sus giros.
Los electrones vecinos también pueden girar en direcciones opuestas. En este caso, los giros siguen teniendo direcciones bien definidas, pero no hay magnetización.
Los imanes fracturados se fracturan porque los electrones vecinos intentan orientar sus giros 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 fracturado y un nuevo estado cuántico de la materia.
Proporcionado por Martin Lasalle, Universidad de Montreal.
