El prometedor candidato líquido de espín cuántico puede quedarse corto

Los líquidos de espín cuántico (QSL), materiales que no muestran ningún orden magnético, incluso a las temperaturas más bajas, son ampliamente considerados como importantes bancos de pruebas para la física de la materia condensada. Las interacciones electrón-electrón que los caracterizan juegan un papel vital en los superconductores “no convencionales” de alta temperatura, y las QSL mismas tienen aplicaciones prometedoras en la tecnología de la información y la computación cuántica.

Solo hay un problema: es muy difícil probar que existan tales materiales, y una nueva investigación realizada por físicos de la Universidad de Stuttgart, Alemania, ha puesto en duda a uno de los candidatos más prometedores. Usando una técnica de espectroscopia de resonancia de espín de electrones (ESR) de banda ancha que desarrollaron ellos mismos, los investigadores estudiaron el comportamiento de los espines de electrones en diferentes direcciones en un cristal a temperaturas ultrafrías. Sus resultados mostraron que una firma clave de QSL, un espectro libre de espacios de excitaciones de espín de electrones, está ausente en un material que anteriormente se consideraba una gran posibilidad de ser un QSL.

Comportamiento previsto

El fallecido físico y premio Nobel Philip W Anderson propuso la existencia de QSL a principios de la década de 1970 mientras estudiaba el estado fundamental de los espines (momentos magnéticos) que interactúan antiferromagnéticamente en una red cristalina triangular. En esta geometría, dos giros vecinos pueden alinearse en direcciones opuestas, pero el tercero siempre terminará paralelo a uno de ellos y no al otro, sin importar en qué dirección se giren los giros.

Esta situación, conocida como “frustración geométrica”, implica que uno de los tres espines debe permanecer sin aparear, creando así un defecto en la celosía. También implica que un material con esta estructura debería comportarse de manera muy diferente a un antiferromaimán ordinario en el que los espines apuntan "hacia arriba" y "hacia abajo" de manera alterna.

La mecánica cuántica resuelve este problema (literalmente) frustrante al sugerir que la orientación de los espines no es rígida. En cambio, los giros cambian constantemente de dirección de forma fluida, formando un conjunto enredado de giros y descensos. Gracias a este comportamiento, un material con esta estructura permanecerá en estado líquido incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto, donde la mayoría de los materiales se congelan en estado sólido. Una consecuencia adicional es que las excitaciones de espín que se mueven libremente, o espinones, pueden considerarse análogos (sin carga) de los electrones en un metal.

Candidatos prometedores

Hasta ahora, solo se han presentado algunos materiales reales como candidatos para cumplir con los criterios de Anderson. Un ejemplo prometedor es una sal de transferencia de carga orgánica compleja con la fórmula química k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃. Sin embargo, sus propiedades del estado fundamental son desconcertantes, y varias técnicas avanzadas, incluidos los métodos que miden el par magnético, la rotación del espín del muón (mSR), el transporte térmico, el calor específico y la resonancia magnética nuclear (RMN), han producido conclusiones contradictorias.

Según la Martín Dressel, quien dirigió el nuevo estudio, la confusión surge porque es muy difícil medir las propiedades de los espines de los electrones a temperaturas extremadamente bajas, especialmente a lo largo de diferentes direcciones de los cristales y en campos magnéticos variables. La nueva técnica de espectroscopia ESR de banda ancha que él y sus colegas desarrollaron hace posibles tales mediciones porque es sensible a momentos magnéticos no apareados de cualquier tipo.

Dressel continúa explicando que los espines de átomos o moléculas individuales tienen una orientación preferida en un campo magnético externo. Cuando su equipo aplica un campo eléctrico de microondas que varía en el tiempo al material en estudio, las microondas hacen que los giros giren. Esta rotación da lugar a una resonancia con una frecuencia y calidad que proporciona importantes conocimientos sobre las propiedades locales de los espines.

Surgen brechas de giro

Cuando los físicos probaron su técnica en una muestra de k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃, encontraron que a 6 K, los espines del material no se organizan en el patrón de arriba hacia abajo de un antiferromagnet típico, pero tampoco forman un estado dinámico que se asemeje a un líquido. En cambio, los pares de espines tienen energías diferentes, formando un "espacio" en el espectro de excitaciones de espines. Esta brecha significa que k- (BEDT-TTF)₂Cu₂(CN)₃ puede que no sea una QSL después de todo, dice Dressel.

Los nuevos resultados están en línea con las recientes mediciones de conductividad térmica que indicaron una brecha de giro similar en otro candidato de QSL, b′-EtMe.₃Sb [Pd (dmit)₂]₂. “Se esperan efectos de defectos de giro aún mayores para el candidato inorgánico de QSL herbertsmithite, ZnCu₃(OH)₆Cl₂, en el que el 5-10% de los átomos de Cu y Zn intercambian posiciones al azar en la red cristalina ”, dice el coautor del estudio. Andrej Pustogów, quien esta ahora en el Universidad de Tecnología de VienaAustria

El candidato líquido de spin cuántico se convierte en superconductor bajo presión

Según los investigadores, que presentan sus resultados en Ciencia:, estos defectos pueden de hecho resultar cruciales para las propiedades magnéticas de baja temperatura de todos los sistemas de espín cuántico que carecen de orden magnético. De hecho, ahora solo hay unos pocos candidatos de QSL en los que no se ha demostrado más allá de ninguna duda una brecha de giro, explican. La espectroscopia ESR de banda ancha y baja temperatura que han desarrollado "proporciona una herramienta versátil para abordar estos y otros problemas relacionados", escriben.

"No es una pistola humeante experimental"

Pustogow advierte que sus resultados no significan que los giros en estos materiales que no pertenecen a QSL no puedan usarse para transferir o almacenar información. También dice que aún pueden surgir otros materiales que puedan realizar una verdadera QSL. “En estos, uno tendrá que pensar en suprimir los efectos no deseados del acoplamiento espín-rejilla (en el que se forman pares de espines y la celosía se distorsiona) que hacen imposible el movimiento de las excitaciones de espín”, dice. Mundo de la física.

qingming zhang de las Academia China de Ciencias en Beijing, que no participó en este trabajo, espera que la nueva técnica pueda utilizarse para estudiar a otros candidatos a QSL. “Una verificación múltiple experimental para las QSL es una práctica común y fundamentalmente importante, ya que, a diferencia de los superconductores, en esta etapa no existe una prueba experimental para las QSL”, dice.

Fuente: https://physicsworld.com/a/promising-quantum-spin-liquid-candidate-may-fall-short/