Investigadores del Laboratorio Nacional de Brookhaven, en Estados Unidos, han descubierto en un nuevo estudio una fase cuántica exótica estados de la materia, llamado «mitad hielo, mitad fuego».
Se señala que la fase correspondiente del estado cuántico se descubrió en ferromagnetos con espines de electrones ordenados (fríos) y desordenados (calientes)
característica fundamental de una partícula (por ejemplo, un núcleo atómico o una partícula elemental) que es en cierto modo análoga al «momento propio de una partícula». El espín es una propiedad cuántica de las partículas y no tiene análogos en la física clásica. Mientras que el momento clásico surge de la rotación de un cuerpo masivo de dimensiones finitas, el espín es inherente incluso a las partículas que actualmente se consideran puntuales, y no está asociado a ninguna rotación de masas en el interior de dicha partícula. Las ideas convencionales tradicionales permiten existencia de la materia en estado sólido, líquido, gaseoso y plasmático. Sin embargo, en física cuántica, los estados de los materiales magnéticos pueden ser muy exóticos.
Los físicos Weiguo Yin y Alexei Tsvelik han descubierto una nueva fase cuántica del ferromagneto unidimensional Sr3CuIrO6, que es un compuesto de estroncio, cobre, iridio y oxígeno. En el estado «semi-hielo, semi-fuego», los espines de electrones ordenados en el átomo se encuentran en el estado «frío» y no se mueven, mientras que el resto de los espines se encuentran en el llamado estado «caótico, caliente».
La investigación comenzó en 2012, cuando los científicos publicaron dos artículos científicos basados en los resultados de estudios teóricos y experimentales de las propiedades del ferromagneto Sr3CuIrO6. En 2016, Yin y Zwelik estudiaron los estados de fase del ferromagneto Sr3CuIrO6 y descubrieron la fase «semifuego, semihielo». En este estado, que es inducido por un campo magnético externo crítico, los «espines calientes» en los nodos de cobre son completamente caóticos en la red atómica y tienen momentos magnéticos más pequeños, mientras que los «espines fríos» en los nodos de iridio están completamente ordenados y tienen momentos magnéticos más grandes.
«Pero a pesar de nuestra exhaustiva investigación, seguíamos sin saber cómo utilizar este estado, sobre todo porque desde hace aproximadamente un siglo es bien sabido que el modelo Ising unidimensional, el modelo matemático bien establecido del ferromagnetismo que produce el estado mitad fuego, mitad hielo, no contiene una transición de fase a temperatura finita. Nos faltaba la pieza» del rompecabezas», — afirma Weigo Yin.
Sin embargo, los investigadores lograron encontrar las piezas del puzzle que necesitan y demostrar que la transición de fase, que debería ser imposible según el modelo de Ising, es sin embargo posible. Esto se consiguió mediante una transición de fase ultraestrecha con una temperatura final fija.
En esta fase, los espines «frío» y «caliente» se invierten. El equipo identificó un rango de temperaturas extremadamente estrecho en el que hay una transición entre fases, algo de gran importancia para muchas industrias. El cambio de fase ultrarrápido con un cambio gigantesco en la entropía magnética puede servir para mejorar las tecnologías criogénicas y como base para un nuevo tipo de qubit en los ordenadores cuánticos.
«En el futuro, vamos a estudiar este fenómeno en sistemas con espines cuánticos y grados de libertad adicionales en celosías y cargas orbitales. La puerta a nuevas posibilidades está ahora abierta de par en par. Puede que incluso sea posible utilizar las propias fases como bits en un nuevo enfoque para almacenar información en ordenadores cuánticos», — sugiere Weigo Yin.
Los resultados del estudio se publican en la revista Physical Review Letters
Fuente: SciTechDaily
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