Agua que simplemente no se congela

Una exótica interacción de electrones: Un equipo internacional de investigación descubre un nuevo estado cuántico

06.12.2022 - Alemania

Agua que simplemente no se congela, por mucho frío que haga: un grupo de investigación del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha descubierto un estado cuántico que podría describirse así. Expertos del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio (Japón), la Universidad Johns Hopkins (Estados Unidos) y el Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS) de Dresde (Alemania) consiguieron enfriar un material especial hasta casi el cero absoluto. Descubrieron que una propiedad central de los átomos -su alineación- no se "congelaba", como es habitual, sino que permanecía en estado "líquido". El nuevo material cuántico podría servir como sistema modelo para desarrollar nuevos sensores cuánticos de alta sensibilidad. El equipo ha presentado sus resultados en la revista Nature Physics.

A primera vista, los materiales cuánticos no parecen diferentes de las sustancias normales, pero lo cierto es que hacen lo suyo: en su interior, los electrones interactúan con una intensidad inusual, tanto entre sí como con los átomos de la red cristalina. Esta íntima interacción da lugar a potentes efectos cuánticos que no sólo actúan en la escala microscópica, sino también en la macroscópica. Gracias a estos efectos, los materiales cuánticos presentan propiedades notables. Por ejemplo, pueden conducir la electricidad sin pérdidas a bajas temperaturas. A menudo, bastan incluso ligeros cambios de temperatura, presión o tensión eléctrica para cambiar drásticamente el comportamiento del material.

En principio, los imanes también pueden considerarse materiales cuánticos; al fin y al cabo, el magnetismo se basa en el espín intrínseco de los electrones del material. "En cierto modo, estos espines pueden comportarse como un líquido", explica el profesor Jochen Wosnitza, del Laboratorio Magnético de Alto Campo (HLD) de Dresde, en el HZDR. "Cuando las temperaturas bajan, estos espines desordenados pueden congelarse, de forma parecida a como el agua se congela en hielo". Por ejemplo, ciertos tipos de imanes, los llamados ferromagnéticos, son no magnéticos por encima de su punto de "congelación", o más exactamente de ordenación. Sólo cuando caen por debajo de él pueden convertirse en imanes permanentes.

Material de gran pureza

El equipo internacional pretendía crear un estado cuántico en el que la alineación atómica asociada a los espines no se ordenara, ni siquiera a temperaturas ultrafrías, de forma parecida a un líquido que no se solidifica, ni siquiera en el frío extremo. Para conseguir este estado, el grupo de investigación utilizó un material especial: un compuesto de los elementos praseodimio, circonio y oxígeno. Supusieron que en este material, las propiedades de la red cristalina permitirían a los espines de los electrones interactuar con sus orbitales alrededor de los átomos de una manera especial.

"El requisito previo, sin embargo, era tener cristales de extrema pureza y calidad", explica el profesor Satoru Nakatsuji, de la Universidad de Tokio. Se necesitaron varios intentos, pero finalmente el equipo pudo producir cristales lo suficientemente puros para su experimento: En un criostato, una especie de supertermo, los expertos enfriaron gradualmente su muestra hasta 20 milikelvin, es decir, apenas una quincuagésima de grado por encima del cero absoluto. Para ver cómo respondía la muestra a este proceso de enfriamiento y dentro del campo magnético, midieron cuánto cambiaba su longitud. En otro experimento, el grupo registró cómo reaccionaba el cristal a las ondas de ultrasonido que se enviaban directamente a través de él.

Una interacción íntima

El resultado: "Si los espines se hubieran ordenado, debería haber provocado un cambio brusco en el comportamiento del cristal, como un cambio repentino de longitud", describe el Dr. Sergei Zherlitsyn, experto en investigaciones con ultrasonidos de HLD. "Sin embargo, como observamos, ¡no ocurrió nada! No hubo cambios repentinos ni en la longitud ni en su respuesta a las ondas de ultrasonido". La conclusión: La pronunciada interacción de espines y orbitales había impedido el ordenamiento, razón por la cual los átomos permanecían en su estado cuántico líquido - la primera vez que se observaba tal estado cuántico. Otras investigaciones en campos magnéticos confirmaron esta suposición.

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 altamente sensibles", especula Jochen Wosnitza. "Para ello, sin embargo, todavía tenemos que averiguar cómo generar excitaciones en este estado de forma sistemática". Los sensores cuánticos se consideran una tecnología prometedora del futuro. Como su naturaleza cuántica los hace extremadamente sensibles a los estímulos externos, los sensores cuánticos pueden registrar campos magnéticos o temperaturas con mucha más precisión que los sensores convencionales.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

Publicación original

N. Tang, Y. Gritsenko, K. Kimura, S. Bhattacharjee, A. Sakai, M. Fu, H. Takeda, H. Man, K. Sugawara, Y. Matsumoto, Y. Shimura, J. Wen, C. Broholm, H. Sawa, M. Takigawa, T. Sakakibara, S. Zherlitsyn, J Wosnitza, R. Moessner, S. Nakatsuji: Spin–orbital liquid state and liquid–gas metamagnetic transition on a pyrochlore lattice, in Nature Physics, 2022

https://www.quimica.es/noticias/1178762/agua-que-simplemente-no-se-congela.html