Enfoque de tres puntas discierne las cualidades de los líquidos de giro cuántico.

16 de noviembre de 2023

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y las políticas de Science X. Los editores han resaltado los siguientes atributos al tiempo que aseguran la credibilidad del contenido:

• verificación de hechos
• publicación revisada por pares
• fuente confiable
• corrección de pruebas

por Elizabeth Rosenthal, Oak Ridge National Laboratory

En 1973, el físico Phil Anderson postuló que el estado de líquido cuántico de espín, o QSL, existía en algunas redes triangulares, pero le faltaban las herramientas para profundizar. Cincuenta años después, un equipo liderado por investigadores asociados al Quantum Science Center con sede en el Oak Ridge National Laboratory del Departamento de Energía ha confirmado la presencia de comportamiento QSL en un nuevo material con esta estructura, el KYbSe2.

QSLs, un estado inusual de la materia controlado por interacciones entre átomos magnéticos entrelazados, o intrínsecamente vinculados, llamados espines, sobresalen en la estabilización de la actividad mecánica cuántica en KYbSe2 y otros delafossites. Estos materiales son apreciados por sus redes triangulares en capas y sus propiedades prometedoras que podrían contribuir a la construcción de superconductores de alta calidad y componentes de computación cuántica.

El artículo, publicado en Nature Physics, cuenta con investigadores de ORNL; Lawrence Berkeley National Laboratory; Los Alamos National Laboratory; SLAC National Accelerator Laboratory; University of Tennessee, Knoxville; University of Missouri; University of Minnesota; Stanford University; y el Rosario Physics Institute.

'Los investigadores han estudiado las redes triangulares de varios materiales en busca del comportamiento QSL', dijo Allen Scheie, miembro de QSC y autor principal del estudio, quien es científico del personal en Los Alamos. 'Una ventaja de este material es que podemos intercambiar átomos fácilmente para modificar las propiedades del material sin alterar su estructura, lo que lo hace bastante ideal desde una perspectiva científica'.

Utilizando una combinación de técnicas teóricas, experimentales y computacionales, el equipo observó varios rasgos distintivos de QSL: entrelazamiento cuántico, cuasipartículas exóticas y el equilibrio adecuado de interacciones de intercambio, que controlan cómo un espín influye en sus vecinos. Aunque los esfuerzos por identificar estas características han sido históricamente obstaculizados por las limitaciones de los experimentos físicos, los modernos instrumentos de dispersión de neutrones pueden producir medidas precisas de materiales complejos a nivel atómico.

Al examinar la dinámica de espín de KYbSe2 con el Espectrómetro de Desfase de Neutrones en Frio en la Spallation Neutron Source de ORNL, una instalación de usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, y comparar los resultados con modelos teóricos confiables, los investigadores encontraron evidencia de que el material se encontraba cerca del punto crítico cuántico en el que las características de QSL prosperan. Luego analizaron su estado magnético de un solo ión con el Espectrómetro de Desfase de Neutrones de Gran Rango Angular de SNS.

Los testigos en cuestión son el uno-tangle, el dos-tangle y la información cuántica de Fisher, que han desempeñado un papel clave en investigaciones anteriores de QSC enfocadas en examinar una cadena de espines 1D, o una sola línea de espines dentro de un material. KYbSe2 es un sistema 2D, una característica que complicó estos esfuerzos.

'Estamos siguiendo un enfoque de co-diseño, que está integrado en el QSC', dijo Alan Tennant, profesor de física e ingeniería de ciencia de materiales en UTK, quien lidera un proyecto de imanes cuánticos para el QSC. 'Los teóricos dentro del centro están calculando cosas que no han podido calcular antes, y esta superposición entre teoría y experimento permitió este avance en la investigación de QSL'.

Este estudio se alinea con las prioridades del QSC, que incluyen conectar la investigación fundamental con la electrónica cuántica, los imanes cuánticos y otros dispositivos cuánticos actuales y futuros.

'Obtener una mejor comprensión de los QSL es realmente significativo para el desarrollo de tecnologías de próxima generación', dijo Tennant. 'Este campo todavía está en la etapa de investigación fundamental, pero ahora podemos identificar qué materiales podemos modificar para potencialmente crear dispositivos a pequeña escala desde cero'.

Aunque KYbSe2 no es un verdadero QSL, el hecho de que aproximadamente el 85% de la magnetización fluctúe a baja temperatura significa que tiene el potencial de convertirse en uno. Los investigadores anticipan que pequeñas alteraciones en su estructura o la exposición a presión externa podrían ayudarlo a alcanzar el 100%.

Los experimentadores y científicos computacionales del QSC están planeando estudios y simulaciones paralelos centrados en materiales del tipo delafossite, pero los hallazgos de los investigadores establecieron un protocolo sin precedentes que también se puede aplicar al estudio de otros sistemas. Al agilizar las evaluaciones basadas en evidencia de candidatos a QSL, buscan acelerar la búsqueda de QSL genuinos.

'The important thing about this material is that we've found a way to orient ourselves on the map so to speak and show what we've gotten right,' Scheie said. 'We're pretty sure there's a full QSL somewhere within this chemical space, and now we know how to find it.'

Journal information: Nature Physics

Provided by Oak Ridge National Laboratory