En el laboratorio del científico de materiales de la Universidad de California en Santa Bárbara, Stephen Wilson, los investigadores están investigando la física detrás de estados inusuales de la materia mientras diseñan materiales que puedan soportar propiedades útiles para futuras tecnologías cuánticas.
Publicado en investigación Materiales de la naturalezaEl equipo de Wilson describe una nueva forma de utilizar un fenómeno conocido como frustración del orden de largo alcance en un material para crear estados magnéticos no convencionales. Estos estados pueden llegar a ser relevantes para la tecnología cuántica. Wilson enfatizó que el trabajo se centró en la ciencia básica más que en la aplicación inmediata. “Es una ciencia fundamental destinada a resolver una cuestión fundamental. Se trata de explorar qué física podría ser posible para los dispositivos futuros”.
Su estudio, titulado “Frustración de enlaces intercalados en un antiferromagnet de celosía triangular”, examina cómo pueden surgir múltiples formas de frustración en estos sistemas. Un tipo importante es la depresión geométrica. Esto ocurre cuando los momentos magnéticos de un material no pueden establecerse en un patrón único estable y, en cambio, existen en una configuración fluctuante.
Pequeños imanes atómicos y geometrías frustradas
Wilson explicó el magnetismo mediante una analogía sencilla. “Se puede pensar que el magnetismo surge de pequeñas barras magnéticas ubicadas en sitios atómicos en una red cristalina”, dijo. Este pequeño imán se llama momento dipolar magnético. Dependiendo de la composición de un elemento, interactúan entre sí y se organizan de manera que reducen su energía o, en otras palabras, alcanzan su estado fundamental. El estado fundamental representa la configuración de energía más baja posible de un sistema, y cada sistema existe en este estado a temperatura de cero absoluto.
Wilson continuó: “Si esos momentos magnéticos quieren interactuar de tal manera que quieran apuntar paralelos entre sí, lo llamamos antiferromagnetismo”. En una disposición cuadrada de átomos, esta interacción funciona fácilmente. Cada momento magnético puede apuntar en dirección opuesta a sus vecinos, creando una configuración estable.
Sin embargo, la cosa cambia cuando los átomos forman una disposición triangular. En esa geometría, resulta imposible apuntar cada momento magnético opuesto a todos sus vecinos al mismo tiempo. Como lo describe Wilson, los momentos comienzan a competir entre sí. Se sienten efectivamente frustrados porque la geometría de la red les impide alcanzar la configuración de energía más baja. El sistema intenta alcanzar el equilibrio pero no puede hacerlo perfectamente debido a la estructura que ocupa.
Frustración de enlaces y intercambio de electrones.
Una frustración similar puede ser otro aspecto de los electrones. En lugar de involucrar magnetismo, puede surgir de la carga de un electrón. Cuando dos iones cercanos intentan compartir un electrón a través de un enlace, pueden formar lo que los científicos llaman un dímero atómico.
Como las interacciones magnéticas pueden verse frustradas en ciertas estructuras reticulares, estos dímeros también pueden enfrentar limitaciones en geometrías como redes triangulares o redes alveolares. El resultado puede ser una red de vínculos que se frustra a sí misma. Estas redes suelen ser muy sensibles a la tensión, y aplicar tensión puede aliviar parcialmente la frustración dentro del patrón de vinculación.
El estudio de Wilson se centra en una clase extremadamente rara de materiales en los que ambos tipos de depresión existen al mismo tiempo. La frustración magnética y la frustración vincular aparecen juntas en la misma estructura.
Acoplamiento de dos sistemas frustrados
Wilson describió el hallazgo como “emocionante” porque abre una posible vía para regular un sistema deprimido influyendo en otro. En los últimos seis o siete años, los científicos han aprendido cómo crear estados magnéticos despolarizados utilizando materiales fabricados a partir de la red triangular de lantánidos, un grupo de elementos que se encuentran en la fila inferior de la tabla periódica.
“En principio, esta red triangular de momentos de lantánidos elegidos adecuadamente podría crear un tipo especial de estado cuántico desordenado intrínseco”, dijo Wilson. Construir sobre esa idea era el objetivo del equipo. “Una cosa que hemos intentado hacer en este proyecto es implementar ese estado externo incrustándolo en una red cristalina que tiene un grado adicional de frustración de vínculos”.
Los investigadores saben que el magnetismo cuántico distorsionado puede adoptar muchas formas. Algunos de estos estados pueden sustentar el entrelazamiento de largo alcance entre espines, un concepto clave en la ciencia de la información cuántica. Wilson explicó: “Algunos estados pueden albergar entrelazamientos de espines de largo alcance, lo cual es de interés en la información cuántica. Sería emocionante obtener control sobre esos estados aplicando tensión a la red de enlaces frustrados”.
Hacia el control del estado cuántico
Cuando coexisten dos sistemas deprimidos y ambos son muy sensibles a perturbaciones como la tensión o los campos magnéticos, surge una pregunta importante. Los científicos quieren saber si los dos sistemas pueden influirse mutuamente. Si una capa se ordena bajo ciertas condiciones, potencialmente también puede afectar a otra capa.
“Es una forma de dar funcionalidad a cosas u otras cosas a las que de otro modo no respondería”, explicó Wilson. “Entonces, en principio, se pueden crear grandes respuestas ferroicas. Se puede aplicar algo de tensión, que induce orden magnético, o se puede aplicar algún campo magnético y cambiar la estructura.
“Nuevamente, en principio, si se encuentra un estado fundamental cuántico desordenado que alberga un entrelazamiento de largo alcance, la pregunta es si se puede acceder a ese entrelazamiento, por ejemplo, acoplándolo a otro nivel, como la frustración del vínculo”.
Wilson también está interesado en si este enfoque puede dar lugar simultáneamente a múltiples tipos de orden. “Básicamente, se pueden tener diferentes tipos de orden que se nuclean debido a la proximidad de estas dos redes frustradas”, dijo. “Es la idea general”.
