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.
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”
Fuente: Ciencia Kanija - MIT News
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