Siguiendo con las predicciones teóricas anteriores, los investigadores del MIT han demostrado experimentalmente la existencia de un tipo totalmente nuevo de comportamiento magnético, que se suman a los dos estados previamente conocidos de magnetismo.
El ferromagnetismo —el magnetismo simple de una barra magnética o la aguja de una brújula—, se conoce de hace siglos. El segundo tipo de magnetismo, el antiferromagnetismo, es cuando los campos magnéticos de los iones dentro de un metal o aleación se anulan entre sí. En ambos casos, los materiales se vuelven magnéticos sólo cuando son enfriados por debajo de una cierta temperatura crítica. La predicción y el descubrimiento del antiferromagnetismo —la base de las cabezas de lectura en los discos duros de los ordenadores actuales—, le hizo ganar el Premio Nobel de Física a Louis Neel en 1970, profesor emérito del MIT de Clifford Shull en 1994.
“Estamos demostrando que hay un tercer estado fundamental del magnetismo”, dice Young Lee, profesor de física del MIT. El trabajo experimental que muestra la existencia de este nuevo estado, llamado espín líquido cuántico (QSL), se informó esta semana en la revista Nature, con Young Lee como autor senior y Tianheng Han, que obtuvo su doctorado de física en el MIT a principios de este año, como autor principal.
El QSL es un cristal sólido, pero su estado magnético se describe como líquido: A diferencia de los otros dos tipos de magnetismo, las orientaciones magnéticas de las partículas individuales dentro de él fluctúan constantemente, asemejándose al movimiento constante de las moléculas dentro de un líquido verdadero.
Descubrir la evidencia
No existe un orden estático para las orientaciones magnéticas, conocido como momentos magnéticos, dentro del material, explica Lee. “Pero existe una fuerte interacción entre ellos, y debido a los efectos cuánticos, no bloquean su lugar.”
Aunque es extremadamente difícil de medir, o probar la existencia de este estado tan exótico, añade, “este es uno de los más fuertes conjuntos de datos experimentales que hay sobre esto. Antes sólo existía en los modelos teóricos y ahora es un sistema físico real.”
Philip Anderson, un importante teórico, propuso por primera vez el concepto en 1987, diciendo que este estado podría ser relevante para los superconductores de alta temperatura, continuó Lee. “Desde entonces, los físicos han querido constatar tal estado, solamente en los últimos años hemos progresado en ello”.
El material en sí mismo es el cristal de un mineral llamado herbertsmitita. donde Lee y sus colegas primero lograron formar un cristal puro y grande de este material el año pasado, un proceso que tardó 10 meses, y desde entonces han estado estudiando sus propiedades en detalle.
“Esto ha sido el fruto de una colaboración multidisciplinaria, con físicos y químicos”, explica Lee. “Se necesita mucho para sintetizar el material y estudiarlo con técnicas de física avanzada. La aportación de los teóricos también fue crucial en esto.”
A través de sus experimentos, el equipo hizo un importante descubrimiento, como explica Lee: Encontramos un estado con excitaciones fraccionadas, las cuales ya se habían predicho por algunos teóricos, aunque era una idea muy controvertida. Cuanto más materia tengan los estados cuánticos separados más cambios se expresan como números enteros, el material QSL exhibe estados cuánticos fraccionados. De hecho, los investigadores descubrieron que estos estados excitados, llamados espinones, forman un continuo. Esta observación, se dice en el artículo de Nature, es “lo primero destacable”.
Dispersión de neutrones
Para medir este estado, el equipo utilizó una técnica llamada dispersión de neutrones, que es la especialidad de Lee. Para llevar realmente a cabo las mediciones, se utilizó un espectrómetro de neutrones del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) en Gaithersburg, Md.
Los resultados, señala, son “la fuerte evidencia de esta fragmentación” de los estados de espín. “Eso era una predicción teórica fundamental para los espín líquidos que estamos viendo de una manera clara y detallada por primera vez.”
Puede llevar bastante tiempo traducir esta “investigación tan fundamental” en aplicaciones prácticas, comenta Lee. El trabajo podría conducir a avances en el almacenamiento de datos o comunicaciones, dice, tal vez usando ese exótico fenómeno cuántico llamado entrelazamiento de largo alcance, en el que dos partículas muy distantes entre sí pueden influir instantáneamente en los demás estados. Los resultados también podrían influir en la investigación de superconductores de alta temperatura, y en última instancia, podría dar lugar a nuevos avances en ese campo.
“Tenemos que conseguir una comprensión más completa de este asunto. No hay una teoría que describa todo lo que estamos viendo.”
Subir Sachdev, profesor de física en la Universidad de Harvard, que no participó en este trabajo, dice que estos resultados, “son muy importantes y abren un nuevo capítulo en el estudio del entrelazamiento cuántico en muchos cuerpos de sistemas. “La detección de tales estados, eran una” tarea excepcionalmente difícil, y Young Lee y su grupo, han superado con brillantez estos desafíos con su gran experimento.”
Además de Lee y Han, el trabajo fue realizado por J.S. Helton of NIST, research scientist Shaoyan Chu of MIT’s Center for Materials Science and Engineering, MIT chemistry professor Daniel Nocera, Jose Rodriguez-Rivera of NIST and the University of Maryland, and Colin Broholm of Johns Hopkins University. El trabajo fue apoyado por el Departamento de Energía de EE.UU. y la Fundación Nacional de Ciencia.
Referencia: MIT.news.edu .Por David L. Chandler, 19 de diciembre 2012
- Imagen: Físicos del MIT hicieron crecer este cristal puro de herbertsmitita en su laboratorio. Esta muestra, que les llevó 10 meses de trabajo, tiene 7 mm. de largo y pesa 0,2 gramos. Imagen: Tianheng Han
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