El magnetismo es una de las propiedades de los materiales más antiguos reconocidos.Conocido desde la antigüedad, los registros del siglo 3 aC describen cómo magnetita , un mineral de origen natural magnetizada de hierro, se utilizó en los compases magnéticos primitivos. Hoy en día, gracias a la teoría de la mecánica cuántica que ahora entiende la naturaleza del magnetismo, también, con el concepto de giro explicar el comportamiento de las partículas elementales como los electrones en el material que hacen magnético.
Spin, una propiedad de las partículas subatómicas como los electrones y los quarks, hace que cada electrón individual se comporta como si fuera una pequeña aguja de una brújula magnética. Los millones o miles de millones de electrón gira en una pieza de material interactúan entre sí de diversas maneras y se estabilizan para formar los diferentes estados posibles magnéticos que se encuentran en la materia sólida. Tomados en conjunto en tan gran número, el espín de los electrones del material otorga las mismas propiedades magnéticas a la propia materia.
El magnetismo es esencial para la parafernalia básicos de la modernidad: materiales magnéticos forman la base de la electrónica moderna y almacenamiento de información.Con esto en mente, los científicos han perseguido el descubrimiento de materiales completamente nuevos comportamientos magnéticos o los nuevos estados de la materia con propiedades sin precedentes y potencialmente beneficiosos.
Una de ellas es la de un líquido cuántico de espín , propuesto por primera vez por el físico teórico ganador del premio Nobel PW Anderson a principios de 1970. En un artículo publicado en la revista Nature Materials, un equipo de investigación dirigido por el profesor Stephen Nagler en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge en los EE.UU. ha demostrado la naturaleza cuántica líquido de hilatura del tricloruro de rutenio material magnético (α-RuCl $ ₃ $).
¿Cómo se forman líquidos de hilatura cuántica?
Líquidos cuántico de espín se encuentran frecuentemente en una clase de materiales conocidos como imanes frustrados . En un imán convencional, las interacciones entre espines resultan en formaciones estables, conocidos como su orden de largo alcance , en el que las direcciones magnéticas de cada electrón individual está alineado.
En un imán frustrado, la disposición de electrones hace girar les impide la formación de una alineación ordenada, y por lo que colapsar en un estado fluctuante, líquido similar. En una verdadera líquido cuántico de espín, el electrón nunca se hace girar a alinear, y siguen fluctuando, incluso a las temperaturas más bajas del cero absoluto, a la que se han congelado ya los giros en otros estados magnéticas de la materia.
Las condiciones requeridas para un líquido cuántico de espín a la forma a menudo se encuentran en la naturaleza. El ejemplo más famoso es el mineral a base de cobreherbertsmithita , para la cual existe evidencia significativa que sugiere que existe un estado cuántico de espín líquido dentro de las capas magnéticas frustrados de iones de cobre que componen su estructura.
¿Dónde encontramos líquidos de hilatura cuántica?
Un reto para los científicos es volver a crear las condiciones necesarias para crecer de forma sintética los materiales líquidos candidato cuántico de espín en el laboratorio para permitir una comprensión completa de sus propiedades.
carácter evasivo de giro líquidos cuánticos 'hacen muy difíciles de confirmar su existencia y señalar su naturaleza exacta. La presencia de un líquido cuántico de espín se puede deducir de la falta de alineación de los espines de los electrones, pero la confirmación definitiva es complicado: ausencia de evidencia no es evidencia de ausencia, como dice el refrán. Un enfoque más sofisticado es descubrir las características más distintivas y únicas del líquido cuántico de espín para permitir una confirmación positiva.
Por esta razón, el estudio de Nagler es particularmente notable. En experimentos utilizando espectroscopia de neutrones , el equipo reveló que el α-RuCl $ ₃ $ da cuenta de algo extremadamente cerca de un sabor especial de líquido cuántico de espín llamadoespín líquido Kitaev . Un requisito previo para este estado líquido cuántico de espín particular es que los espines de los iones de rutenio magnéticos forman una red de nido de abeja frustrado: una estructura hexagonal en capas, de dos dimensiones, similar a la asumida por átomos de carbono en el grafito.
En su experimento, un haz de partículas de neutrones creados por un acelerador de partículas fue esparcido de la muestra de α-RuCl $ ₃ $ la transferencia de energía entre los neutrones y la muestra en el proceso. Esta transferencia de energía se cuantificó por un conjunto de detectores que rodea la muestra, y la respuesta se ajusta la descrita por la teoría desarrollada para el líquido cuántico de spin Kitaev en particular observado.
¿Qué podemos hacer con los líquidos de hilatura cuántica?
Ahora reconocemos que el líquido cuántico de spin viene en varias variedades diferentes con propiedades ligeramente diferentes, pero que todos ellos comparten la capacidad de soportar los fenómenos mecánicos cuánticos peculiares. Esto es emocionante, y no sólo desde un punto de vista puramente científico: estos estados podrían ser utilizados en el desarrollo de ordenadores cuánticos y otras tecnologías cuánticas de transformación que se espera para proporcionar cambios revolucionarios en forma de procesar y almacenar datos a lo largo del siglo 21.
En la era de la computación cuántica, seremos capaces de realizar cálculos que se encuentran actualmente sin solución, incluso en los superordenadores más potentes de hoy en día. Esto permitirá avances en una amplia gama de campos en los que estamos frente a algunos de los mayores desafíos de nuestro tiempo, desde el descubrimiento de fármacos para el diseño de materiales inteligentes para toda una serie de aplicaciones. A medida que descubrimos más materiales líquidos estado cuántico candidato y comprender mejor su comportamiento, vamos a desentrañar la física cada vez más exóticos y descubrir maneras de manipular y controlar esta novela estado de la materia en nuestro beneficio.
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