Sorpresa en el campo de la física cuántica

En el misterioso mundo de los materiales cuánticos, el comportamiento no siempre se puede predecir. Estos materiales exhiben propiedades únicas regidas por las reglas de la mecánica cuántica.

Esto significa, principalmente, que pueden realizar tareas que los materiales tradicionales no pueden, como conducir electricidad sin pérdidas, o tener propiedades magnéticas potencialmente útiles en tecnologías de vanguardia.

Magnones en materiales cuánticos

Algunos materiales cuánticos tienen pequeñas ondas magnéticas llamadas magnones que los atraviesan y se comportan de manera intrigante. Comprender los magnones nos ayuda a descubrir los secretos de cómo funcionan los imanes a nivel microscópico, lo cual es esencial para la próxima generación de dispositivos electrónicos y computadoras.

Los científicos han estudiado el comportamiento de estos magnones bajo fuertes campos magnéticos y pensaban que sabían qué esperar… hasta ahora.

En un nuevo estudio, investigadores dirigidos por Henrik Rønnow y Frédéric Mila, de la Escuela Politécnica Federal de Lausana (EPFL) en Suiza, revelaron la existencia de un comportamiento nuevo e inesperado del material cuántico conocido como borato de estroncio y cobre o SrCu2 (BO 3)2.

Este estudio desafía nuestra comprensión actual de la física cuántica, pero también sugiere posibilidades interesantes para tecnologías futuras, destacan los investigadores.

Único ejemplo conocido

¿Pero por qué este material? Los detalles son bastante técnicos. El borato de estroncio y cobre es importante en el campo de los materiales cuánticos porque es el único ejemplo real conocido del «modelo Shastry-Sutherland», un marco teórico para comprender estructuras donde la disposición y las interacciones de los átomos impiden establecerse en un estado simple y ordenado.

Estas estructuras se denominan “redes altamente frustradas” y a menudo confieren al material cuántico comportamientos y propiedades complejos e inusuales. Por lo tanto, la estructura única del borato de estroncio y cobre lo convierte en un candidato ideal para el estudio de transiciones y fenómenos cuánticos complejos.

Dispersión de neutrones y campos magnéticos masivos

Para estudiar los magnones en el borato de estroncio y cobre, los científicos utilizaron una técnica llamada dispersión de neutrones. En resumen, dispararon neutrones al material y midieron su deflexión sobre él. La dispersión de neutrones es particularmente eficaz para estudiar materiales magnéticos porque los neutrones, con carga cero, pueden descifrar el magnetismo sin verse alterados por la carga de los electrones y los núcleos del material.

Este trabajo se llevó a cabo en la instalación de dispersión de neutrones de alto campo del Helmholtz-Zentrum de Berlín, que pudo sondear campos de hasta 25,9 Tesla. Este nivel de estudio de los campos magnéticos no tiene precedentes y ha permitido a los científicos observar directamente el comportamiento de los magnones.

Luego combinaron los datos con cálculos de “estados de producto-matriz cilíndrica”. Este potente método de cálculo permitió confirmar las observaciones experimentales de la difusión de neutrones y comprender los comportamientos cuánticos bidimensionales del material.

Un baile para dos

Este enfoque único reveló algo sorprendente: en lugar de comportarse como elementos únicos e independientes, como se esperaba, los magnones del material se unieron, formando «estados unidos», como si juntaran a dos personas para bailar en lugar de hacerlo solos.

Esta asociación inusual conduce a un nuevo estado cuántico inesperado que tiene implicaciones para las propiedades del material: la «fase espín-nemática». Tomemos como ejemplo los imanes de un refrigerador: normalmente apuntan hacia arriba o hacia abajo (eso es rotación), pero esta nueva fase no se trata de hacia dónde apuntan, sino de cómo se alinean entre sí, creando un patrón único.

Este es un descubrimiento emocionante. Muestra un comportamiento de materiales magnéticos nunca observado. Esta revelación de una regla oculta de la física cuántica podría conducir a nuevas formas de utilizar materiales magnéticos para tecnologías cuánticas que aún no hemos imaginado.

Referencia

Field-induced bound-state condensation and spin-nematic phase in SrCu2(BO3)2 revealed by neutron scattering up to 25.9 T. Ellen Fogh et al. Nature Communications, volume 15, Article number: 442 (2024). DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-023-44115-z