Demuestran la existencia de un nuevo estado cuántico de la materia

Un equipo internacional de investigadores ha observado la «huella digital» de un nuevo y misterioso estado cuántico de la materia en un material de dos dimensiones, en el que los electrones se rompen en partes.

El estado, predicho hace 40 años, es conocido como espín líquido cuántico, y hace que los electrones -pensados para ser bloques de construcción indivisibles de la naturaleza- se rompan en pedazos.

Los investigadores, entre ellos físicos de la Universidad de Cambridge (Reino Unido), midieron las primeras huellas de estas partículas fraccionadas, conocidas como fermiones de Majorana, en un material de dos dimensiones con una estructura similar al grafeno. Sus resultados experimentales coincidieron con uno de los principales modelos teóricos del espín líquido cuántico, conocido como modelo Kitaev. Los resultados se presentan en la revista Nature Materials.

Los espines líquidos cuánticos son misteriosos estados de la materia que se cree que se esconden en ciertos materiales magnéticos, pero no se habían visto de manera concluyente en la naturaleza.

La observación de una de sus propiedades más intrigantes -la división o fraccionalización de electrones- en materiales reales es un gran avance. Los fermiones de Majorana resultantes pueden ser utilizados como bloques de construcción de ordenadores cuánticos.

«Este es un nuevo estado cuántico de la materia, que había sido predicho, pero no se había visto», resalta Johannes Knolle, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, uno de los co-autores del artículo.

En un material magnético típico, los electrones se comportan como diminutos imanes de barra. Y cuando un material se enfría a una temperatura suficientemente baja, los imanes se auto-ordenan de manera que todos los polos magnéticos norte apuntan en la misma dirección, por ejemplo.

Pero en un material que contiene un estado espín líquido cuántico, incluso si se enfría hasta el cero absoluto, los imanes de barra se alinean pero forman una sopa enredada provocada por las fluctuaciones cuánticas.

Huellas

«Hasta hace poco, ni siquiera sabíamos que las huellas experimentales de un espín líquido cuántico tendrían este aspecto», dice en la nota de prensa de Cambridge el coautor Dmitry Kovrizhin, también del grupo de Teoría de la Materia Condensada del Laboratorio Cavendish. «En trabajos anteriores nos plantéabamos la pregunta: ¿Si estuviéramos realizando experimentos sobre un posible líquido de espín cuántico, qué observaríamos?»

Otros co-autores, liderados por Arnab Banerjee y Stephen Nagler, del Laboratorio Nacional de Oak Ridge (Tennesse, EE.UU.), utilizaron técnicas de dispersión de neutrones para buscar evidencia experimental de fraccionalización en cloruro de alfa-rutenio (α-RuCl3). Los investigadores probaron las propiedades magnéticas del polvo de α-RuCl3 iluminándolo con neutrones, y observaron el patrón de ondas que producían los neutrones en una pantalla cuando se dispersaban.

Un imán normal crearía líneas nítidas, pero era un misterio qué tipo de patrón formarían los fermiones de Majorana en un espín líquido cuántico. La predicción teórica realizada por Knolle y sus colaboradores en 2014 se adapta bien a las grandes jorobas en lugar de líneas cortantes que los experimentadores observaron en la pantalla.

«Esta es una nueva adición a la lista de estados cuánticos de la materia conocidos «, dice Knolle. «Es un paso importante para nuestra comprensión de la materia cuántica», añade Kovrizhin.

Referencia bibliográfica:

A. Banerjee et al.: Proximate Kitaev quantum spin liquid behaviour in a honeycomb magnet. Nature Materials (2016). DOI: 10.1038/nmat4604.