Los investigadores de la Universidad de Brown han logrado grandes avances en la comprensión del complejo estado de la materia conocido como líquidos de espín cuántico. A diferencia de los imanes convencionales, que se solidifican al disminuir su temperatura, los líquidos de espín cuántico permanecen en un estado de fluctuación. Un estudio reciente, centrado en el compuesto H3LiIr2O6, proporciona información sobre el papel del desorden en estos materiales. Descubrieron que el estado líquido cuántico no era imitado ni destruido por el desorden, sino que cambiaba significativamente. Esta investigación trae esperanzas para la tecnología cuántica, especialmente en el campo de la computación cuántica.
Un estudio dirigido por científicos de la Universidad de Brown comienza a abordar una cuestión de larga data en la física de la materia condensada: si el desorden imita o destruye el estado líquido cuántico en un compuesto destacado. Los líquidos de espín cuántico son difíciles de explicar y aún más difíciles de entender.
En primer lugar, los líquidos de espín cuántico no tienen nada que ver con líquidos cotidianos como el agua o el jugo, sino con imanes especiales y cómo giran. En un imán normal, cuando se reduce la temperatura, los espines de los electrones esencialmente se congelan, formando una masa sólida. Sin embargo, en los líquidos de espín cuántico, los espines de los electrones no se congelan, sino que los electrones permanecen en un flujo constante, como en un líquido que fluye libremente.
Los líquidos de espín cuántico se encuentran entre los estados cuánticos más entrelazados jamás concebidos, y sus propiedades son clave para aplicaciones que los científicos creen que podrían hacer avanzar el desarrollo de la tecnología cuántica. A pesar de 50 años de exploración de líquidos de espín cuántico y múltiples teorías que apuntan a su existencia, nadie ha visto nunca evidencia definitiva de este estado de la materia. De hecho, es posible que los investigadores nunca vean tal evidencia porque es muy difícil medir directamente el entrelazamiento cuántico, un fenómeno que Einstein denominó "acción espeluznante a distancia". Este fenómeno fue llamado por Einstein "acción espeluznante a distancia", es decir, dos átomos están unidos entre sí y pueden intercambiar información sin importar lo lejos que estén.
El papel del desorden en los líquidos de espín cuántico
El misterio de los líquidos de espín cuántico plantea importantes interrogantes sobre este material exótico en la física de la materia condensada que siguen sin respuesta hasta el día de hoy. Pero en un nuevo artículo publicado en Nature Communications, un equipo de físicos dirigido por la Universidad de Brown se propone desentrañar una de las cuestiones más importantes, y lo hace introduciendo una nueva fase de la materia. Todo se reduce al desorden.
"Todos los materiales están desordenados hasta cierto punto", explicó Kemp-Plumb, profesor asistente de física en la Universidad de Brown y autor principal del nuevo estudio, y el desorden está relacionado con la cantidad de formas microscópicas en las que se organizan los componentes de un sistema. Por ejemplo, los sistemas ordenados (como los cristales sólidos) tienen pocas formas de reorganizarse, mientras que los sistemas desordenados (como los gases) no tienen una estructura real.
En los líquidos de espín cuántico, la diferencia provocada por el desorden va esencialmente en contra de la teoría detrás del líquido. Una explicación popular es que cuando se introduce el desorden, el material ya no es un líquido de espín cuántico sino simplemente un imán en estado desordenado. "Así que la gran pregunta es si los estados líquidos de espín cuántico pueden sobrevivir al desorden y, de ser así, ¿cómo?" dijo ciruela.
Para resolver este problema, los investigadores utilizaron los rayos X más brillantes del mundo para analizar ondas magnéticas en los compuestos que estudiaron, buscando pistas sobre líquidos de espín cuántico. Las mediciones muestran que el material no sólo no se ordena magnéticamente (ni se congela) a bajas temperaturas, sino que los estados desordenados presentes en el sistema no imitan ni alteran el estado líquido cuántico.
Descubrieron que el desorden cambia significativamente este estado.
"El estado líquido cuántico es viable", afirmó Plum. "No se congela como un imán normal. Mantiene este estado dinámico, pero es como una versión descorrelacionada del estado dinámico. Nuestra explicación ahora es que el líquido del espín cuántico se divide en pequeños charcos por todo el material".
Impacto e investigaciones futuras
Los resultados básicamente muestran que el material que estudiaron es uno de los principales candidatos para los líquidos de espín cuántico, y se parece mucho a los líquidos de espín cuántico, pero tiene un ingrediente más. Los investigadores creen que se trata de un líquido de espín cuántico desordenado, una nueva etapa de la materia desordenada.
"Una cosa que podría suceder en este material es que se convierta en una versión desordenada del estado líquido de espín no cuántico, pero nuestras mediciones nos lo dirían. En cambio, nuestras mediciones muestran que es un estado muy diferente", dijo Plum.
Estos resultados profundizan nuestra comprensión de cómo el desorden afecta a los sistemas cuánticos y cómo interpretarlo, lo cual es importante para explorar las aplicaciones de estos materiales en la computación cuántica.
El trabajo es parte de un estudio de larga data sobre estados magnéticos exóticos en el Laboratorio Plum de la Universidad de Brown. El estudio se centró en el compuesto H3LiIr2O6, un material que se cree que es el mejor prototipo de un tipo especial de líquido de espín cuántico conocido como líquido de espín de Kitaev. Si bien se sabe que el H3LiIr2O6 no se congela a bajas temperaturas, es notoriamente difícil de producir en el laboratorio, y se sabe que existe desorden en el H3LiIr2O6, lo que oscurece si el H3LiIr2O6 es en realidad un líquido de giro.
Investigadores de la Universidad de Brown, en colaboración con colaboradores del Boston College, sintetizaron el material y luego lo irradiaron con luz de alta energía utilizando un potente sistema de rayos X en el Laboratorio Nacional Argonne en Illinois. La luz excita el magnetismo en los compuestos, y medirlo a partir de las ondas que crea es una solución alternativa para medir el entrelazamiento porque proporciona una manera de ver cómo la luz afecta a todo el sistema.
Los investigadores esperan seguir ampliando este trabajo mejorando el método, los materiales en sí y estudiando diferentes materiales.
"Lo más importante en el futuro es lo que hemos estado haciendo, que es continuar buscando en el vasto espacio de materiales que nos brinda la tabla periódica", dijo Plum. "Ahora comprendemos mucho mejor cómo las diferentes combinaciones de elementos afectan las interacciones o crean diferentes tipos de desorden que afectan los líquidos de espín. Tenemos mucha más orientación, y eso es realmente importante porque en realidad se trata de un área muy amplia para explorar".