Se ha descubierto un líquido de espín cuántico tridimensional alrededor de un miembro de la familia de las langbeinitas. La estructura cristalina específica de la materia y las interacciones magnéticas resultantes dan lugar a un comportamiento inusual que se remonta a islas de liquidez. Un equipo internacional hizo el descubrimiento mediante experimentos en la fuente de neutrones ISIS y modelos teóricos en una muestra de langbeinita de níquel.
Cuando los espines de la red cristalina no pueden alinearse entre sí para alcanzar una energía mínima, se denomina frustración magnética. Si esta frustración se vuelve lo suficientemente grande, el espín continúa fluctuando de manera aleatoria, incluso cuando la temperatura se acerca a cero y el material se comporta como un líquido de espín cuántico. Los líquidos de espín cuántico (QSL) tienen propiedades notables, incluidos fenómenos topológicamente conservados, potencialmente útiles, por ejemplo, para futuros qubits especialmente estables. Inicialmente, los líquidos de espín cuántico se estudiaban principalmente en estructuras bidimensionales, pero el fenómeno también puede ocurrir en estructuras tridimensionales, aunque con mucha menos frecuencia.
Una búsqueda desesperada
Una colaboración internacional ha demostrado este comportamiento en una nueva clase de materiales con estructuras tridimensionales: las langbenitas son minerales de sulfato que rara vez se encuentran en la naturaleza. Cambiar uno o dos elementos en la fórmula compuesta crea variaciones que pertenecen a esa clase de todos los materiales.
Cristal de langbeinita sintética con fórmula molecular K2i2(ENTONCES4)3 fueron hechos para estudiar. El elemento magnético níquel juega aquí un papel clave: los iones de níquel forman dos redes llamadas trillium, que están entrelazadas entre sí. Esto crea la frustración magnética deseada, que aumenta aún más cuando se aplica un campo magnético externo: es posible que no todos los momentos magnéticos de los iones de níquel se alineen de una manera energéticamente favorable, sino que fluctúan y los espines cuánticos se vuelven líquidos.
Datos y teoría de neutrones: un ajuste casi perfecto
Un equipo dirigido por Ivica Živković en la EPFL pudo medir las fluctuaciones magnéticas en la fuente de neutrones británica ISIS en Oxford. La muestra se comporta como un líquido de espín cuántico, no sólo a temperaturas extremadamente bajas, sino también a “consumo” de 2 K.
El equipo, dirigido por el teórico del HZB Johannes Reuther, pudo explicar los datos medidos utilizando varios enfoques teóricos. “Nuestro diagrama de fases teórico incluso indica una ‘isla de liquidez’ en el centro de una red de tetratrilio fuertemente desordenada”, dice Matías González, primer autor del estudio e investigador postdoctoral en el equipo de Reuther, que dirigió las simulaciones de Monte Carlo. El estudiante de doctorado Vincent Nokolik calculó las interacciones entre espines utilizando un método basado en diagramas de Feynman desarrollados por Reuther hace varios años (Pseudo-Fermion Function Renormalization Group, PFFRG). La concordancia entre los datos medidos y los resultados teóricos es sorprendentemente buena. “A pesar de sus interacciones muy complejas, podemos reproducir este sistema muy bien”, afirma Reuther.
Candidatos a QSL en Langbenitis
Las langbenitas son una clase de materiales grande y en gran parte inexplorada. El estudio sugiere que explorar el comportamiento cuántico puede resultar valioso en este caso. El equipo dirigido por la física del HZB Bella Lake ya ha sintetizado nuevos representantes de esta clase de materiales, también conocidos como líquidos de espín cuántico 3D. “Esto sigue siendo puramente ciencia básica”, subraya Johannes Reuther, “pero con el creciente interés por nuevos tipos de materiales cuánticos, los materiales de langbeinita pueden resultar interesantes para aplicaciones en la información cuántica”.
