Los materiales magnéticos que se cree albergan un líquido de espín cuántico han generado un gran interés debido a su potencial para revelar los estados externos de la materia y hacer avanzar la computación cuántica. Sin embargo, la presencia en el mundo cuántico puede resultar confusa. Se ha publicado un nuevo estudio. Avances de la ciencia y codirigido por Pengcheng Dai de la Universidad Rice demostró que el hexaaluminato de cerio y magnesio (CeMgAl11Y19), que alguna vez se pensó que pertenecía a esta rara categoría, en realidad no es un líquido de espín cuántico.
“El material fue clasificado como un líquido de espín cuántico debido a dos propiedades: observación de la continuidad del estado y falta de orden magnético”, dijo Bin Gao, coautor e investigador científico de Rice. “Pero una mirada más cercana al material mostró que la causa subyacente de estas observaciones no era una fase líquida de espín cuántico”.
Cómo se comportan normalmente los estados magnéticos
En materiales aislantes como CeMgAl11Y19Los iones magnéticos como el cerio pueden adoptar uno de dos modos: ferromagnético o antiferromagnético. En un estado ferromagnético, los iones están alineados en la misma dirección, lo que anima a sus vecinos a hacer lo mismo. En un estado antiferromagnético, los iones vecinos apuntan en direcciones opuestas, creando un tipo diferente de patrón ordenado.
Los científicos pueden observar estos sistemas enfriando materiales a temperaturas cercanas al cero absoluto. En estas condiciones, los materiales convencionales se asientan en un estado único y estable de baja energía. Como todos los iones están alineados siguiendo el mismo patrón, los investigadores suelen ver sólo una configuración.
¿Qué diferencia a los líquidos de espín cuántico?
Los fluidos de espín cuánticos se comportan de una manera muy diferente. En lugar de establecerse en un estado estable, pasan constantemente a través de una serie de estados de menor energía a través de efectos cuánticos. Esto conduce a una dispersión o continuidad de estados observables en lugar de un solo estado. Esto también resulta en una falta de orden magnético, ya que ambas tendencias ferromagnéticas y antiferromagnéticas pueden estar presentes al mismo tiempo.
CeMgAl11Y19 Se muestran estas dos características clave. Carecía de un orden magnético claro y exhibía un continuo de estados, lo que inicialmente indicaba un líquido de espín cuántico. Sin embargo, una mirada más cercana revela una interpretación diferente. El continuo observado no proviene del comportamiento cuántico, sino de la degeneración de estados causada por interacciones ferromagnéticas y antiferromagnéticas en competencia.
“Estábamos interesados en este material, que tenía una colección de propiedades que no habíamos visto antes”, dijo el coautor e investigador científico de Rice, Tong Chen. “No era un líquido de espín cuántico, pero estábamos observando lo que pensábamos que era un comportamiento relacionado con el líquido de espín cuántico”.
Una sutil competición magnética
Para descubrir lo que realmente estaba pasando, el equipo utilizó la dispersión de neutrones junto con otras mediciones precisas. Descubrieron que la frontera entre el comportamiento ferromagnético y antiferromagnético en este material es inusualmente débil. Esto permite que los iones magnéticos se muevan más libremente entre los dos estados en lugar de quedar atrapados en un patrón único.
Como resultado, algunos iones se comportan ferromagnéticamente mientras que otros se comportan antiferromagnéticamente dentro de la misma estructura. Esta disposición mixta evita que el sistema forme un único estado ordenado y, en cambio, produce muchas configuraciones posibles de baja energía. Cuando se enfría hasta cerca del cero absoluto, el material puede asentarse en cualquiera de estas configuraciones, produciendo una variedad de estados observados que se asemejan al continuo observado en los fluidos de espín cuántico. Sin embargo, a diferencia de un verdadero fluido de espín cuántico, una vez que la materia se asienta en un estado, permanece allí y no pasa de un estado a otro.
“La capacidad única del material para ‘elegir’ entre diferentes estados de baja energía ha producido datos de observación similares al estado líquido del espín cuántico”, dijo Dye, autor correspondiente del estudio. “Este es un nuevo estado de la materia que, hasta donde sabemos, somos los primeros en describir”.
Un recordatorio de la complejidad cuántica
El descubrimiento pone de relieve lo complejos y sorprendentes que pueden ser los sistemas magnéticos. Incluso cuando un material coincide con la firma esperada de un estado cuántico, la física subyacente puede contar una historia diferente.
Este material único, añadió Dye, es un buen recordatorio de cuánto desconocemos sobre el campo cuántico. “Esto subraya la importancia de un seguimiento cuidadoso y una investigación exhaustiva de sus datos”.
Financiación y apoyo a la investigación.
El trabajo sobre dispersión de neutrones y susceptibilidad magnética de CA en Rice contó con el apoyo de la Beca de Ciencias Energéticas Básicas del Departamento de Energía de EE. UU. (DE-SC0012311, DE-SC0026179). El trabajo de crecimiento de monocristales realizado por Robert A. fue apoyado por la Welch Foundation (C-1839). El crecimiento cristalino de BG, XX y SWC en la Universidad de Rutgers fue apoyado por la iniciativa EPiQS (GBMF6402) de la Fundación Gordon y Betty Moore y el Programa de Visitantes del Centro de Síntesis de Materiales Cuánticos financiado por Rutgers. El trabajo teórico realizado por CL y LB contó con el apoyo del DOE, la Oficina de Ciencias, BES (DE-FG02-08ER46524) y la Colaboración Simmons sobre Materia Ultra-Cuántica. Los investigadores recibieron apoyo personal del Programa de Fenómenos Emergentes de Sistemas Cuánticos de la Fundación Gordon y Betty Moore; Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12204160); Fundación Nacional de Investigación de Corea, Ministerio de Ciencia y TIC (2022M3H4A1A04074153); y la Fundación Welch (AA-2056-20240404). El experimento de dispersión de neutrones en el MLF del J-PARC se realizó bajo la propuesta No. 2022B0242. Esta investigación utilizó recursos en Spallation Neutron Source, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por el Laboratorio Nacional Oak Ridge.
