Los líquidos de espín cuántico son sistemas cuánticos fascinantes que recientemente han atraído una importante atención de la investigación. Estos sistemas se caracterizan por una fuerte competencia entre interacciones, lo que impide el establecimiento de un orden magnético de largo alcance, como el observado en los imanes convencionales, donde todos los espines se alinean en la misma dirección para producir un campo magnético neto.
Investigadores de la Universidad de Toronto introdujeron recientemente un marco que podría facilitar la observación experimental de un nuevo líquido de espín cuántico 3D conocido como hielo de espín cuántico octupolar de flujo π (π-O-QSI). Su artículo, publicado en Physical Review Letters, predice las firmas espectroscópicas distintivas de este sistema, que podrían medirse en experimentos futuros.
"Curiosamente, los líquidos de espín cuántico pueden albergar excitaciones fraccionadas", dijo a Phys.org Félix Desrochers, coautor del artículo. “Es decir, los electrones de estos materiales parecen disociarse en múltiples componentes. Por ejemplo, mientras que los electrones transportan espín y carga, la cuasipartícula emergente puede transportar espín pero no carga.
"Estas excitaciones no surgen de la fragmentación de los electrones en varios pedazos, sino que son el resultado de una forma muy no trivial de movimiento colectivo inducido por sus fuertes interacciones".
Los físicos llevan décadas buscando ejemplos claros del estado líquido del espín cuántico. Sin embargo, el progreso en este campo de investigación ha sido lento hasta ahora, debido a dos factores principales.
En primer lugar, ha resultado un desafío diseñar modelos teóricos que describan de manera realista los estados fundamentales de los líquidos de espín y que puedan usarse para derivar predicciones precisas. En segundo lugar, también resultó difícil detectar y caracterizar las propiedades físicas de estos sistemas en materiales reales.
"El hielo de espín cuántico (QSI) es un raro ejemplo de un modelo con un estado fundamental líquido de espín cuántico bien comprendido y también se puede encontrar en un material real (como la familia de los pirocloros de tierras raras)", explicó Desrochers.
"QSI es extraordinario ya que realiza el equivalente reticular de la electrodinámica cuántica: alberga modos emergentes similares a fotones (es decir, excitaciones similares a partículas de luz), partículas análogas a cargas electrostáticas con interacción mutua de Coulomb conocidas como espinones e incluso monopolos magnéticos".
Según predicciones teóricas, la electrodinámica cuántica que surge en QSI difiere significativamente de la electrodinámica convencional. Por ejemplo, la velocidad de la llamada “luz emergente” debería ser del orden de 1 m/s, a diferencia de la velocidad de 3×108 m/s de luz que encontramos en la vida cotidiana.
“Experimentos recientes con Ce2Zr2O7, Hay2Sn2O7 y Ce2Hf2O7 "Ha sido extremadamente emocionante", dijo Desrochers. “Los materiales no muestran ningún signo de estar ordenados a la temperatura más baja accesible.
“Análisis posteriores determinaron los parámetros microscópicos que describen su comportamiento. Descubrieron que el sistema se encuentra en una región del espacio de parámetros que, en teoría, se sugiere que alberga un tipo específico de QSI conocido como hielo de espín cuántico de flujo π (π-QSI)”.
Si bien estudios recientes obtuvieron hallazgos alentadores, identificar de manera confiable los líquidos de espín cuántico es una tarea muy compleja, ya que incluso un trastorno débil podría potencialmente alterar estos estados. Para detectar estos estados sin ambigüedades, los investigadores primero deben identificar firmas distintivas específicas de un líquido de espín cuántico, que permanezcan estables.
"Antes de nuestro trabajo, no había una propuesta clara para firmas irrefutables de la dinámica de espín en QSI de flujo π", explicó Desrochers. “Por lo tanto, nuestro trabajo tuvo como objetivo resaltar posibles firmas distintas que podrían ayudar a identificar si el QSI de flujo π se realiza en Ce2Zr2O7 y otros compuestos similares. Nos centramos especialmente en firmas que podrían medirse con los aparatos experimentales disponibles actualmente”.
Como parte de su estudio, Desrochers y su Ph.D. El supervisor Yong Baek Kim se propuso predecir las firmas espectroscópicas distintivas del estado QSI de flujo π utilizando un marco teórico introducido por Lucile Savary y Leon Balents en 2012, conocido como teoría de campo medio de calibre (GMFT). Básicamente, este marco reescribe los operadores de espín iniciales basándose en las excitaciones emergentes presentes en el hielo de espín cuántico, es decir, fotones y espinones.
"Este marco ya se utilizó para estudiar QSI de flujo π en algunos de los primeros trabajos que utilizaban GMFT", dijo Desrochers. “Por lo tanto, hemos ampliado este trabajo con el objetivo de hacer predicciones experimentalmente significativas. Para garantizar que nuestras predicciones sean confiables, también hemos realizado comparaciones exhaustivas con resultados numéricos anteriores de nuestro grupo y la literatura”.
Este estudio reciente de Desrochers y Kim ofrece una predicción significativa de las firmas espectroscópicas distintivas del QSI de flujo π en estado líquido de espín. Estas firmas podrían guiar futuros estudios experimentales, ayudando a los físicos a confirmar la presencia de este estado exótico.
"Destacamos que el QSI de flujo π debería producir tres picos de intensidad decreciente en la dispersión inelástica de neutrones", dijo Desrochers. “Ésta es una firma única y distintiva. Si se midieran, estos tres picos proporcionarían evidencia convincente para la realización experimental de esta QSL tridimensional”.
Desrochers y Kim esperan que sus predicciones ayuden a los investigadores a determinar qué deben esperar medir cuando se encuentren con el elusivo estado QSI de flujo π. En particular, las firmas espectroscópicas que identificaron deberían ser detectables con resoluciones experimentales actualmente alcanzables, por lo que podrían observarse pronto.
Mientras tanto, los investigadores planean aprovechar su estudio reciente para recopilar predicciones cada vez más detalladas. Por ejemplo, les gustaría estudiar cómo evolucionarían los picos que predijeron a diferentes temperaturas y estimar a qué temperaturas desaparecerían.
"Los desarrollos futuros más interesantes seguramente vendrán del lado experimental", añadió Desrochers. “La confirmación de la presencia de estos picos ofrecería pruebas muy convincentes de la realización de este nuevo estado de la materia tan buscado. Ya hay algunos signos alentadores: trabajos recientes sobre Ce2Sn2O7 informaron mediciones que muestran signos de tres picos de intensidad decreciente”.