Un equipo de investigación internacional, incluido el Centro Helmholtz de Dresde-Rossendorf (HZDR)- ha descubierto un estado cuántico que podría describirse de esta manera. Los científicos lograron enfriar un material especial a una temperatura cercana al cero absoluto. Descubrieron que una propiedad central de los átomos –su alineación– no se “congelaba”, como de costumbre, sino que permanecía en un estado “líquido”.
En un radio de materiales cuánticos, los electrones interactúan con una intensidad inusual, tanto entre sí como con los átomos de la red cristalina. Esta estrecha conexión produce potentes efectos cuánticos que impactan a niveles microscópicos y macroscópicos. Estos fenómenos confieren a los materiales cuánticos cualidades extraordinarias. Por ejemplo, a bajas temperaturas, pueden transportar electricidad sin pérdidas. Con frecuencia, incluso pequeñas variaciones de temperatura, presión o voltaje eléctrico son suficientes para alterar significativamente el comportamiento de un material.
El profesor Jochen Wosnitza del Laboratorio Magnético de Alto Campo (HLD) de Dresde en HZDR dijo: “En principio, los imanes también pueden considerarse materiales cuánticos; después de todo, el magnetismo se basa en el espín intrínseco de los electrones del material. En cierto modo, estos espines pueden comportarse como un líquido”.
"A medida que bajan las temperaturas, estos giros desordenados pueden congelarse, de forma muy parecida a como el agua se congela y se convierte en hielo".
“Por ejemplo, ciertos tipos de imanesLos ferromagnetos, los llamados ferromagnetos, no son magnéticos por encima de su punto de “congelación”, o más precisamente, de orden. Sólo cuando caigan por debajo podrán convertirse en imanes permanentes”.
En este estudio, los científicos intentaron descubrir un estado cuántico en el que la alineación atómica asociada con los espines no estaba ordenada, incluso a temperaturas ultrafrías, similar a un líquido que no se solidifica, incluso en condiciones de frío extremo.
Para alcanzar este estado, el equipo de investigación empleó una sustancia única, una mezcla de praseodimio, circonio y oxígeno. Creían que las características de la red cristalina de este material permitirían que los espines de los electrones interactuaran de forma única con sus orbitales alrededor de los átomos.
El profesor Satoru Nakatsuji de la Universidad de Tokio dijo: “Sin embargo, el requisito previo era tener cristales de extrema pureza y calidad. Fueron necesarios varios intentos, pero finalmente el equipo pudo producir cristales lo suficientemente puros para su experimento: en un criostato, una especie de súper termo, los expertos enfriaron gradualmente su muestra hasta 20 milikelvin, solo una quinta parte de un grado. por encima del cero absoluto. Para ver cómo respondió la muestra a este proceso de enfriamiento y dentro del campo magnético, midieron cuánto cambió en longitud. En otro experimento, el grupo registró cómo reaccionaba el cristal a las ondas de ultrasonido enviadas directamente a través de él”.
El Dr. Sergei Zherlitsyn, experto en ecografías de DAN, describe: “Si se hubieran ordenado los giros, deberían haber provocado un cambio abrupto en el comportamiento del cristal, como un cambio repentino de longitud. Sin embargo, como observamos, ¡no pasó nada! No hubo cambios repentinos ni en la duración ni en su respuesta a ondas de ultrasonido."
“La pronunciada interacción de espines y orbitales había impedido el ordenamiento, razón por la cual los átomos permanecieron en su estado cuántico líquido: la primera vez que se observaba un estado cuántico de este tipo. Investigaciones posteriores en campos magnéticos confirmaron esta suposición”.
Jochen Wosnitza especula, “Este resultado de la investigación básica también podría tener implicaciones prácticas algún día: en algún momento, podríamos utilizar el nuevo estado cuántico para desarrollar sensores cuánticos susceptibles. Sin embargo, para ello todavía tenemos que descubrir cómo generar excitaciones en este estado de forma sistemática. La detección cuántica se considera una tecnología prometedora del futuro. Debido a que su naturaleza cuántica los hace extremadamente sensibles a los estímulos externos, los sensores cuánticos pueden registrar campos magnéticos o temperaturas con mucha mayor precisión que los sensores convencionales”.
Referencia de la revista:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Estado líquido espín-orbital y transición metamagnética líquido-gas en una red de pirocloro. Nat. fisicos. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
