Vea También
 |
| Foto de Michael Dziedzic en Unsplash |
El agua puede pasar de líquido a hielo sólido o hervir hasta convertirse en gas. En la cocina estas "transiciones de fase" no son suaves, pero su naturaleza discontinua se suaviza a alta presión. Un equipo internacional de físicos dirigido por la EPFL ha descubierto ahora el mismo comportamiento en ciertos imanes cuánticos, lo que puede tener consecuencias para la tecnología de los qubits.
En física, las cosas existen en "fases", como sólido, líquido o gas. Cuando algo pasa de una fase a otra, hablamos de una "transición de fase": pensemos en el agua que hierve y se convierte en vapor, pasando de líquido a gas.
En nuestras cocinas, el agua hierve a 100oC y su densidad cambia drásticamente, dando un salto discontinuo de líquido a gas. Sin embargo, si subimos la presión, el punto de ebullición del agua también aumenta, hasta una presión de 221 atmósferas donde hierve a 374oC. Aquí ocurre algo extraño: el líquido y el gas se funden en una sola fase. Por encima de este "punto crítico", ya no hay ninguna transición de fase, por lo que, controlando su presión, el agua puede pasar de líquido a gas sin cruzar nunca una.
¿Existe una versión cuántica de una transición de fase similar a la del agua? "Las direcciones actuales del magnetismo cuántico y la espintrónica requieren interacciones altamente anisotrópicas de espín para producir la física de las fases topológicas y los qubits protegidos, pero estas interacciones también favorecen las transiciones de fase cuánticas discontinuas", afirma el profesor Henrik Rønnow de la Escuela de Ciencias Básicas de la EPFL.
Los estudios anteriores se han centrado en transiciones de fase suaves y continuas en materiales magnéticos cuánticos. Ahora, en un proyecto experimental y teórico conjunto dirigido por Rønnow y el profesor Frédéric Mila, también de la Escuela de Ciencias Básicas, los físicos de la EPFL y del Instituto Paul Scherrer han estudiado una transición de fase discontinua para observar el primer punto crítico en un imán cuántico, similar al del agua. El trabajo se publica ahora en Nature.
Los científicos utilizaron un "antiferromagneto cuántico", conocido en el campo como SCBO (por su composición química: SrCu2(BO3)2). Los antiferromagnetos cuánticos son especialmente útiles para entender cómo los aspectos cuánticos de la estructura de un material afectan a sus propiedades generales; por ejemplo, cómo los espines de sus electrones interactúan para dar sus propiedades magnéticas. El SCBO es también un imán "frustrado", lo que significa que los espines de sus electrones no pueden estabilizarse en una estructura ordenada, sino que adoptan algunos estados fluctuantes cuánticos únicos.
En un complejo experimento, los investigadores controlaron tanto la presión como el campo magnético aplicados a trozos de miligramos de SCBO. "Esto nos permitió observar toda la transición de fase cuántica discontinua y así encontramos la física del punto crítico en un sistema de espín puro", dice Rønnow.
El equipo realizó mediciones de alta precisión del calor específico del SCBO, que muestra su disposición a "absorber energía". Por ejemplo, el agua sólo absorbe pequeñas cantidades de energía a -10oC, pero a 0oC y 100oC puede absorber cantidades enormes, ya que cada molécula es conducida a través de las transiciones de hielo a líquido y de líquido a gas. Al igual que el agua, la relación presión-temperatura del SCBO forma un diagrama de fases que muestra una línea de transición discontinua que separa dos fases magnéticas cuánticas, y que termina en un punto crítico.
"Ahora, cuando se aplica un campo magnético, el problema se vuelve más rico que el agua", dice Frédéric Mila. "Ninguna de las dos fases magnéticas se ve fuertemente afectada por un pequeño campo, por lo que la línea se convierte en un muro de discontinuidades en un diagrama de fases tridimensional, pero entonces una de las fases se vuelve inestable y el campo ayuda a empujarla hacia una tercera fase".
Para explicar este comportamiento cuántico macroscópico, los investigadores se asociaron con varios colegas, en particular con el profesor Philippe Corboz de la Universidad de Ámsterdam, que han desarrollado nuevas y potentes técnicas informáticas.
"Antes no era posible calcular las propiedades de los imanes cuánticos 'frustrados' en un modelo realista de dos o tres dimensiones", dice Mila. "Así que SCBO proporciona un ejemplo oportuno en el que los nuevos métodos numéricos se encuentran con la realidad para proporcionar una explicación cuantitativa de un fenómeno nuevo en el magnetismo cuántico".
Henrik Rønnow concluye: "De cara al futuro, la próxima generación de materiales cuánticos funcionales pasará por transiciones de fase discontinuas, por lo que una comprensión adecuada de sus propiedades térmicas incluirá sin duda el punto crítico, cuya versión clásica es conocida por la ciencia desde hace dos siglos."
Fuentes, créditos y referencias:
“A quantum magnetic analogue to the critical point of water” by J.
Larrea Jiménez, S. P. G. Crone, E. Fogh, M. E. Zayed, R. Lortz, E.
Pomjakushina, K. Conder, A. M. Läuchli, L. Weber, S. Wessel, A.
Honecker, B. Normand, Ch. Rüegg, P. Corboz, H. M. Rønnow and F. Mila, 14
April 2021, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-03411-8