Investigadores de China, Francia y Australia han encontrado nueva evidencia de un exótico estado cuántico de la materia llamado supersólido de espín. El descubrimiento, realizado en un material antiferromagnético con una estructura de red atómica triangular, representa un gran avance en la física fundamental y también podría ayudar al desarrollo de nuevas técnicas de enfriamiento que no requieran helio líquido, ya que el material también muestra un efecto magnetocalórico gigante.
Como su nombre lo indica, los supersólidos son materiales que fluyen sin fricción (como un superfluido) aunque las partículas que los componen están dispuestas en una red cristalina (como un sólido). Así, estos materiales rompen dos simetrías continuas: la invariancia traslacional, debida al orden cristalino; y simetría de calibre, debido al flujo sin fricción del material.
Los teóricos predijeron en la década de 1960 que deberían existir supersólidos en los sólidos cuánticos con las llamadas vacantes bosónicas móviles, es decir, espacios que quedan cuando los átomos con valores de espín enteros se mueven a través de la red cristalina. A partir de la década de 1980, la investigación experimental se centró en indicios de que podría producirse supersolidez en el helio-4 superfluido. En 2004, físicos de la Universidad Estatal de Pensilvania (EE.UU.) informaron de pruebas de supersolidez en este material. Sin embargo, una mayor investigación realizada por los mismos investigadores reveló que estaban equivocados, y sus observaciones podrían ser explicado de otras maneras.
Experimentos más recientes han demostrado que los gases cuánticos dipolares alargados en una dirección pueden sufrir una transición de fase desde un condensado de Bose-Einstein regular (BEC) a un estado con propiedades supersólidas. Los átomos de los gases dipolares tienen grandes momentos magnéticos y son las interacciones entre ellos las que dan lugar a la supersolidez en estos sistemas.
Capas de evidencia
Investigadores liderados por pandilla su en el Universidad de la Academia de Ciencias de China (CAS) En Beijing ahora dicen que han encontrado el análogo magnético cuántico de un supersólido en un antiferroimán recientemente sintetizado con la fórmula química Na.2BaCo(PO)4)2. Este compuesto, conocido como NBCP, también muestra un efecto magnetocalórico gigante, lo que significa que se calienta y enfría dramáticamente cuando se aplica y elimina un campo magnético externo.
Su y colegas Wei Li de las Instituto de Física Teórica, CAS; Junsen Xiang y Peijie Sun del desplegable Instituto de Física, CAS; y wentao jin at Universidad de Beihang llevaron a cabo sus mediciones magnetocalóricas a temperaturas inferiores a 1 K. La excelente concordancia entre sus datos experimentales y los cálculos teóricos de las transiciones de fase cuánticas supersólidas les ayudó a convencerse de que estaban observando un nuevo supersólido de espín.
Una confirmación adicional provino de evidencia microscópica que obtuvieron al realizar experimentos de difracción de neutrones en muestras de alta calidad de NBCP en el Institut Laue-Langevin en Francia y el Organización Australiana de Ciencia y Tecnología Nuclear. "Los picos de difracción revelaron orden de tres subredes en el plano, orden sólido e inconmensurabilidad en la dirección fuera del plano", dice Su. "Esto último puede estar relacionado con la existencia de modos Goldstone sin pausas (una forma de ruptura de simetría en los bosones) y, por lo tanto, respalda la existencia de superfluidez de espín en el compuesto".
Un nuevo estado cuántico de la materia y un nuevo mecanismo de enfriamiento
El equipo de CAS decidió estudiar NBCP porque exhibe fuertes fluctuaciones de espín de baja energía, lo que indica un posible estado líquido de espín cuántico. También es un antiferromagnet, lo que significa que a diferencia de los ferromagnetos convencionales, que tienen espines de electrones paralelos, sus espines de electrones tienden a alinearse en forma antiparalela entre sí. Esta antialineación conduce a fuertes interacciones entre los espines.
Después de que uno de los miembros del equipo sugiriera que podría existir un supersólido de espín en NBCP, Li y Gang preguntaron a sus colegas experimentales Xiang, Jin y Sun si era posible buscar nuevos estados de espín cuántico en el compuesto. "Lo hicieron y observaron el nuevo estado cuántico de la materia, el espín supersólido", recuerda Li.
Además de revelar un nuevo estado cuántico de la materia, el descubrimiento también podría conducir a nuevos métodos de enfriamiento sub-Kelvin sin helio. Estos son muy buscados para la ciencia de materiales, la tecnología cuántica y las aplicaciones espaciales, entre otras, dice Li. Mundo de la física.
La supersolidez entra en una segunda dimensión
Li explica que actualmente existen dos formas principales de enfriar materiales a temperaturas de unos pocos Kelvin. El primero es utilizar helio, que se vuelve líquido a temperaturas inferiores a 4.15 K. El segundo es explotar el efecto magnetocalórico, en el que ciertos materiales cambian de temperatura bajo la influencia de un campo magnético aplicado. Ambas técnicas tienen sus inconvenientes: el helio es escaso y, por tanto, caro, mientras que la clase especial de compuestos utilizados para el enfriamiento magnetocalórico (conocidos como sales paramagnéticas hidratadas) tienen una baja densidad de entropía magnética, una escasa estabilidad química y una baja conductividad térmica. Sin embargo, Li afirma que el efecto magnetocalórico gigante en el supersólido de espín recién descubierto podría "superar eficazmente estos inconvenientes" explotando las excitaciones colectivas de espín a bajas energías.
Buscando otros supersólidos de espín
Los investigadores ahora están tratando de obtener evidencia dinámica adicional de la supersolidez del espín en NBCP. Con este fin, Jin dice que están realizando mediciones de dispersión de neutrones inelásticas para investigar los modos Goldstone asociados con el orden de los superfluidos de espín. También planean realizar experimentos de difracción de neutrones polarizados para reforzar aún más sus hallazgos.
Finalmente, el equipo está investigando otros compuestos de red triangular en un esfuerzo por identificar estados supersólidos de espín adicionales u otros estados de espín exóticos. "Al hacerlo, esperamos comprender mejor los fenómenos físicos subyacentes que dan lugar a estas fascinantes fases cuánticas de la materia", afirma Su.
Su presente estudio se detalla en Naturaleza.
- Distribución de relaciones públicas y contenido potenciado por SEO. Consiga amplificado hoy.
- PlatoData.Network Vertical Generativo Ai. Empodérate. Accede Aquí.
- PlatoAiStream. Inteligencia Web3. Conocimiento amplificado. Accede Aquí.
- PlatoESG. Carbón, tecnología limpia, Energía, Ambiente, Solar, Gestión de residuos. Accede Aquí.
- PlatoSalud. Inteligencia en Biotecnología y Ensayos Clínicos. Accede Aquí.
- Fuente: https://physicsworld.com/a/spin-supersolid-appears-in-a-quantum-antiferromagnet/
