Durante décadas, los científicos han estado buscando líquidos de espín cuántico (QSL), materiales que se cree que poseen varias propiedades especiales que podrían mejorar nuestra comprensión del magnetismo y los esfuerzos para desarrollar computadoras cuánticas.
En un nuevo estudio, un material que antes se pensaba que era una QSL resultó ser otra cosa. El descubrimiento sugiere que debemos repensar cómo evaluamos a los candidatos a QSL; también revela un estado de la materia completamente nuevo y no cuántico.
Según el equipo internacional de investigadores detrás del estudio, el material, hexaluminato de cerio y magnesio (CeMgAl11O19), tiene algunas propiedades extrañas, nunca antes vistas, que podrían ser muy útiles, pero no califica como QSL.
“El material había sido clasificado como un líquido de espín cuántico debido a dos propiedades: la observación de un continuo de estados y la falta de ordenamiento magnético”, dice el físico Bin Gao, de la Universidad Rice en Estados Unidos.
“Pero una observación más cercana del material mostró que la causa subyacente de estas observaciones no era una fase líquida de espín cuántico”.
Hasta ahora, los científicos han buscado QSL enfriando materiales a temperaturas extremadamente bajas y buscando esas dos características que posee CeMgAl11O19: un continuo borroso de estados y Comportamiento magnético caótico que no sigue las reglas normales.
Aunque estos materiales (o más específicamente, las fases de los materiales) han sido teorizados durante mucho tiempo, y los científicos han tenido cierto éxito con QSL sintéticas diseñadas en el laboratorio, aún tienen que encontrar ejemplos definitivos que ocurran en la naturaleza.
Lo que muestra CeMgAl11O19 es que esas dos marcas “reveladoras” de QSL no son tan confiables como pensaban los físicos.
Utilizando una variedad de técnicas que incluían hacer rebotar rayos X y neutrones en el material cristalino, reducir su temperatura y aplicar campos magnéticos, los investigadores descubrieron que el material no era un QSL después de todo.
Las fuerzas magnéticas en competencia dentro del material, además de su disposición inusual de los átomos, de hecho estaban causando efectos similares a los QSL, por lo que, si bien se puede descartar que CeMgAl11O19 sea un QSL, sigue siendo un estado intrigante de la materia que es nuevo para la ciencia.
“Estábamos interesados en este material, que tenía un conjunto de características que no habíamos visto antes”, dice el físico Tong Chen, de la Universidad Rice.
“No era un líquido de espín cuántico, pero estábamos observando lo que pensábamos que eran comportamientos asociados al líquido de espín cuántico”.
Puede que esto no parezca particularmente relevante para la vida cotidiana, pero existen algunos avances potencialmente enormes asociados con las QSL, especialmente en el campo de la computación cuántica.
Estos sistemas prometen un salto exponencial en términos de potencia de procesamiento, pero aún están lejos de convertirse en realidad, al menos en formas plenamente realizadas que sean útiles fuera de los puntos de referencia de laboratorio.
Se cree que las QSL podrían ayudar a mejorar la estabilidad de computadora cuántica sistemas que, en su forma de prototipo actual, son increíblemente frágiles y propensos a errores. Potencialmente, las partículas QSL podrían hacer que el almacenamiento de datos cuánticos sea más resistente.
Si estas computadoras pueden desarrollarse y optimizarse, entonces hay buenas razones para creer que el aumento en el rendimiento beneficiaría los modelos de cambio climático, el pronóstico del tiempo, los descubrimientos de fármacos y más.
Es el “giro” en la QSL lo que es crucial: se refiere a un cierto tipo de impulso que muestra una partícula cuando se mueve a través de un estado magnético. En una QSL, ese impulso está notablemente desordenado, según las hipótesis actuales.
Definitivamente se están logrando avances en la identificación de candidatos a QSL, aunque su rareza hace que sea difícil localizarlos.
Si bien habrá cierta decepción porque CeMgAl11O19 no sea nuestra primera QSL genuina, tiene un conjunto fascinante de propiedades y servirá como un punto de referencia útil para los científicos que intentan encontrar estos materiales esquivos.
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“Se trata de un nuevo estado de la materia que, hasta donde sabemos, somos los primeros en describir”, afirma el físico Pengcheng Dai, de la Universidad Rice.
“Subraya la importancia de una observación cuidadosa y una investigación exhaustiva de sus datos”.
La investigación ha sido publicada en Science Advances.