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Criostato utilizado para alcanzar temperaturas de hasta 20 milikelvin. Crédito: HZDR/Jürgen Jeibmann
Un equipo internacional de investigadores -entre los que se encuentra el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- ha descubierto un estado cuántico que podría describirse de este modo. Los científicos consiguieron enfriar un material especial a una temperatura cercana al cero absoluto. Descubrieron que una propiedad central de los átomos -su alineación- no se "congelaba", como es habitual, sino que permanecía en estado "líquido".
En los materiales cuánticos, los electrones interactúan con una intensidad inusitada, tanto entre sí como con los átomos de la red cristalina. Esta estrecha conexión produce potentes efectos cuánticos que afectan a niveles microscópicos y macroscópicos. Estos fenómenos confieren a los materiales cuánticos cualidades extraordinarias. Por ejemplo, a bajas temperaturas, pueden transportar electricidad sin pérdidas. A menudo, incluso pequeñas variaciones de temperatura, presión o tensión eléctrica bastan para alterar significativamente el comportamiento de un material.
El profesor Jochen Wosnitza, del Laboratorio Magnético de Alto Campo (HLD) de Dresde, en la HZDR, afirmó: "En principio, los imanes también pueden considerarse materiales cuánticos; al fin y al cabo, el magnetismo se basa en el espín intrínseco de los electrones del material. En cierto modo, estos espines pueden comportarse como un líquido".
"A medida que descienden las temperaturas, estos espines desordenados pueden congelarse, de forma parecida a como el agua se congela en hielo".
"Por ejemplo, ciertos tipos de imanes, los llamados ferromagnetos, son no magnéticos por encima de su punto de "congelación", o más exactamente, de ordenación. Sólo cuando caen por debajo de él pueden convertirse en imanes permanentes".
En este estudio, los científicos trataron de descubrir un estado cuántico en el que la alineación atómica asociada a los espines no se ordenara, ni siquiera a temperaturas ultrafrías - similar a un líquido que no se solidifica, ni siquiera en condiciones de frío extremo.
Para alcanzar este estado, el equipo de investigación empleó una sustancia única, una mezcla de praseodimio, circonio y oxígeno. Creían que las características de la red cristalina de este material permitirían a los espines de los electrones interactuar de forma única con sus orbitales alrededor de los átomos.
El profesor Satoru Nakatsuji, de la Universidad de Tokio, declaró: "Sin embargo, el requisito previo era disponer de cristales de una pureza y calidad extremas. Hicieron falta varios intentos, pero finalmente el equipo consiguió producir cristales lo bastante puros para su experimento: En un criostato, una especie de supertermo, los expertos enfriaron gradualmente la muestra hasta 20 milikelvin, apenas una quincuagésima de grado por encima del cero absoluto. Para ver cómo respondía la muestra a este proceso de enfriamiento y dentro del campo magnético, midieron cuánto cambiaba de longitud. En otro experimento, el grupo registró cómo reaccionaba el cristal al envío directo de ondas ultrasónicas a través de él".
El Dr. Sergei Zherlitsyn, experto de HLD en investigaciones con ultrasonidos, describe: "Si los espines se hubieran ordenado, debería haber provocado un cambio brusco en el comportamiento del cristal, como un cambio repentino de longitud. Sin embargo, como observamos, ¡no ocurrió nada! No hubo cambios bruscos ni en la longitud ni en su respuesta a las ondas ultrasónicas".
"La pronunciada interacción de espines y orbitales había impedido el ordenamiento, razón por la cual los átomos permanecían en su estado cuántico líquido, la primera vez que se observaba un estado cuántico de este tipo. Investigaciones posteriores en campos magnéticos confirmaron esta suposición".
Jochen Wosnitza especula: "Este resultado de investigación básica también podría tener implicaciones prácticas algún día: En algún momento, podríamos utilizar el nuevo estado cuántico para desarrollar sensores cuánticos susceptibles. Para ello, sin embargo, aún tenemos que averiguar cómo generar excitaciones en este estado de forma sistemática". Los sensores cuánticos se consideran una prometedora tecnología de futuro. Como su naturaleza cuántica los hace extremadamente sensibles a estímulos externos, los sensores cuánticos pueden registrar campos magnéticos o temperaturas con mucha mayor precisión que los sensores convencionales."
Fuentes, créditos y referencias: