Descubren un "líquido de espín cuántico" largamente buscado
Tras décadas de búsqueda, es posible que por fin se haya encontrado un nuevo estado exótico de la materia: un equipo internacional de investigación presenta pruebas convincentes
Desde la década de 1970, los científicos especulan con la posibilidad de que existan materiales que presenten una forma muy particular de desorden magnético, los llamados líquidos cuánticos de espín (QSL).
Estos materiales son muy interesantes por varias razones. Podrían ser la clave para desarrollar nuevos tipos de superconductores y abrir nuevas posibilidades en el campo de la informática cuántica y tecnologías afines. Pero los líquidos de espín cuántico reales han resultado ser extremadamente difíciles de encontrar. Se han realizado muchos experimentos, sobre todo en materiales bidimensionales. Pero aunque se han encontrado características prometedoras de un QSL, nunca ha habido plena concordancia entre el experimento y la teoría.
Ahora, un equipo internacional en el que participan la Universidad Técnica de Viena, la Universidad Rice de Texas, la Universidad de Toronto, la Universidad Rutgers y varias instalaciones de dispersión de neutrones ha identificado el primer candidato convincente para un auténtico líquido cuántico de espín tridimensional. Los experimentos realizados con circonato de cerio (Ce₂Zr₂O₇) revelaron las características clave de este estado, incluidos los llamados fotones emergentes. No se trata de fotones propiamente dichos, sino de excitaciones magnéticas dentro del material que se comportan de forma sorprendentemente similar a los fotones. Los resultados se han publicado recientemente en la revista Nature Physics.
Imanes ordenados, líquido desordenado
En los imanes ordinarios, los espines -el momento angular mecánico cuántico de las partículas- se alinean en patrones regulares. Por ejemplo, en un ferromagneto, todos los espines apuntan en la misma dirección por debajo de cierta temperatura crítica.
Pero también hay materiales en los que, incluso en el cero absoluto, los espines se niegan a establecerse en una configuración estática. En su lugar, permanecen en un estado de fluctuación cuántica constante.
"Se comportan como una forma líquida de magnetismo, sin ningún orden fijo", explica la profesora Silke Bühler-Paschen, del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad Técnica de Viena.
Por tanto, un líquido cuántico de espín no es un líquido en el sentido tradicional, sino un cristal sólido". El término "líquido" se refiere a la ausencia de orden magnético en el sistema de espín.
Aunque los espines individuales de un sistema de este tipo permanecen desordenados y apuntan en distintas direcciones, siguen estando mecánicamente entrelazados. Sus direcciones parecen aleatorias, pero en el fondo están relacionadas: La medición de un espín puede afectar al estado de los demás. Este entrelazamiento es lo que hace de los líquidos cuánticos de espín una plataforma tan prometedora para las futuras tecnologías cuánticas.
Fotones emergentes: luz que no es luz
Demostrar que un material forma realmente un líquido cuántico de espín es excepcionalmente difícil.
"Precisamente por eso, durante décadas se ha eludido un avance real en este campo", afirma Silke Bühler-Paschen. "Estudiamos el circonato de cerio, que forma una red tridimensional de espines y no muestra ningún ordenamiento magnético ni siquiera a temperaturas tan bajas como 20 milikelvin. Por primera vez, pudimos detectar señales que indican claramente la existencia de un líquido de espín cuántico tridimensional, en particular, la presencia de los llamados fotones emergentes".
Al igual que las ondas pueden viajar a través del agua líquida cuando se perturba, las ondas pueden propagarse a través del sistema de espín de un líquido cuántico de espín. Estas ondas se comportan en muchos aspectos como la luz, aunque no son de naturaleza electromagnética, sino excitaciones colectivas de un gran número de espines. Sin embargo, matemáticamente siguen las mismas ecuaciones que los fotones reales en electrodinámica. Las señales observadas coinciden con las predicciones teóricas en términos de energía, momento y polarización.
"El descubrimiento de estos fotones emergentes en el circonato de cerio es un indicio muy claro de que hemos encontrado un líquido cuántico de espín", afirma Silke Bühler-Paschen. "Tenemos previsto realizar más experimentos, pero desde nuestro punto de vista, el circonato de cerio es actualmente el candidato más convincente a líquido cuántico de espín". Ya se están planificando nuevos estudios de alta resolución e investigaciones de materiales relacionados.
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Publicación original
Bin Gao, Félix Desrochers, David W. Tam, Diana M. Kirschbaum, Paul Steffens, Arno Hiess, Duy Ha Nguyen, Yixi Su, Sang-Wook Cheong, Silke Paschen, Yong Baek Kim, Pengcheng Dai; "Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice"; Nature Physics, 2025-6-19
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