Materiales frustrados bajo alta presión

Investigadores modifican el comportamiento magnético de materiales exóticos

26.04.2019 - Alemania

No sólo las personas sufren de frustración de vez en cuando. También algunos cristales muestran frustraciones. Este es siempre el caso cuando sus imanes elementales, los llamados giros magnéticos, no pueden alinearse correctamente. El cloruro de cobre y cesio (Cs2CuCl4) es un buen ejemplo de materiales frustrados. En este cristal, los átomos magnéticos de cobre se asientan sobre una celosía triangular. Sin embargo, la alineación antiparalela de los pines magnéticos no funciona en el triángulo. Es precisamente esta frustración geométrica la que plantea un gran reto a los físicos, ya que promete el descubrimiento de nuevos fenómenos magnéticos que pueden incluso ser útiles para los ordenadores cuánticos en el futuro. Para una mejor investigación y comprensión de los fundamentos, los físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), apoyados por colegas japoneses y americanos, han modificado ahora el acoplamiento magnético utilizando un elegante método de medición.

"Nuestro objetivo es explicar en detalle los complejos procesos cuánticos de los cristales geométricamente frustrados", explica el Dr. Sergei Zvyagin, del Laboratorio Magnético de Alto Campo de Dresde del HZDR. Las teorías sobre el comportamiento magnético de cristales como el cloruro de cesio y cobre (Cs2CuCl4) - CCC para abreviar - ya son abundantes. Pero hasta ahora ha habido una falta de experimentos sofisticados para probar estas teorías en el objeto mismo. Para esto es útil cambiar la fuerza de las interacciones entre los átomos magnéticos.

Los físicos en muchos laboratorios a menudo toman una ruta tediosa: producen cristales con frustración geométrica en una composición química ligeramente diferente. Esto cambia la interacción magnética entre los imanes elementales, pero también, involuntariamente, la estructura cristalina. Zvyagin dejó este elaborado y puramente químico camino hacia un conocimiento más profundo. En vez de eso, usó altas presiones. En estas condiciones, la fuerza del acoplamiento de los espines magnéticos puede cambiarse de forma casi continua.

"Con el nuevo método, podemos controlar los parámetros de acoplamiento dentro del cristal y medir simultáneamente los efectos sobre las propiedades magnéticas", dice Sergei Zvyagin. Recibió los cristales CCC para sus experimentos del grupo del Dr. Hidekazu Tanaka en el Instituto de Tecnología de Tokio. Con una longitud de canto de sólo unos pocos milímetros y su brillante transparencia naranja, recuerdan más a las gemas de granate claro que a los cristales artificiales cultivados en el laboratorio. También en Japón, en la Universidad Tohoku de Sendai, Zvyagin y sus colegas colocaron los cristales en una prensa de alta presión con sellos de óxido de circonio de alta resistencia. Como resultado, los investigadores aumentaron gradualmente la carga a alrededor de dos gigapascales. Una presión comparable funciona cuando el peso de un coche descansa en un área del tamaño de una mina de lápiz de color.

Altas presiones y fuertes campos magnéticos

"Bajo esta presión, las distancias entre los átomos cambiaron muy poco", dice Zvyagin. "Pero las propiedades magnéticas del cristal mostraron un cambio drástico." Los investigadores pudieron medir estos cambios directamente usando la resonancia de espín de electrones (ESR). Se determinó la transmitancia de la luz (o más precisamente: microondas) en un campo magnético externo muy fuerte de hasta 25 Tesla - es decir, medio millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Además, el cristal tenía que ser congelado a -271 grados centígrados casi a cero absoluto para evitar los efectos perturbadores causados por el calor.

Estas mediciones en un fuerte campo magnético externo revelaron las inusuales propiedades magnéticas del material. Dependiendo de la presión, la fuerza del acoplamiento entre los espines magnéticos adyacentes puede variar. Otras mediciones con un método adicional de investigación de materiales - la técnica de oscilador de diodo de túnel (TDO) - complementaron estos resultados. Se llevaron a cabo -también bajo altas presiones y fuertes campos magnéticos- en la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee.

Además, Zvyagin y sus colegas encontraron que los cristales de CCC bajo alta presión exhiben una cascada de transiciones de fase con campos magnéticos en aumento. "Gracias a estas mediciones, ahora estamos un paso más allá para comprender mejor la multitud de estas fases", dice el profesor Joachim Wosnitza, director del Laboratorio Magnético de Campo Alto de Dresde.

"La identificación exacta de estas fases es el siguiente objetivo", dice Zvyagin. En el futuro, quiere determinar las estructuras exactas de sus cristales CCC mediante la dispersión de neutrones. Para estos planes, aprecia las condiciones de investigación que le ofrece el HZDR con su estrecha red internacional. "Para mí es un lugar ideal para mi interés en la investigación básica", enfatiza el físico. "Y si uno entiende los procesos cuánticos en estos cristales geométricos frustrados, podrían surgir aplicaciones."

Joachim Wosnitza también ve un gran potencial en las propiedades magnéticas exóticas de estos cristales. "Se pueden concebir sistemas cuánticos de larga vida en los que los espines magnéticos se puedan utilizar de forma controlada", dice Wosnitza. "Aún no está claro si conducirá a un ordenador cuántico o a un sensor especial." Sin embargo, el camino hacia esto podría ser muy largo. Pero con sus mediciones exitosas, los investigadores de la HZDR no tienen razón para estar frustrados - a diferencia de sus muestras de cristal.

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Publicación original

S. A. Zvyagin u.a.; "Pressure-tuning the quantum spin Hamiltonian of the triangular lattice antiferromagnet Cs2CuCl4"; Nature Communications; 10 (2019)

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S. A. Zvyagin u.a.; "Pressure-tuning the quantum spin Hamiltonian of the triangular lattice antiferromagnet Cs2CuCl4"; Nature Communications; 10 (2019)

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