Hallan nuevo material cuántico imposible de congelar

Expertos del Instituto de Física del Estado Sólido de la Universidad de Tokio en Japón, la Universidad Johns Hopkins en Estados Unidos y el Instituto Max Planck para la Física de Sistemas Complejos (MPI-PKS) en Dresde, Alemania, lograron 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 de costumbre, sino que permanecía en un estado “líquido“.

El nuevo material cuántico podría servir como sistema modelo para desarrollar nuevos sensores cuánticos altamente sensibles.

A primera vista, los materiales cuánticos no se ven diferentes de las sustancias normales, pero ciertamente hacen lo suyo: en el interior, los electrones interactúan con una intensidad inusual, tanto entre sí como con los átomos de la red cristalina. Esta interacción íntima da como resultado poderosos efectos cuánticos que no solo actúan en la escala microscópica, sino también en la macroscópica.

Gracias a estos efectos, los materiales cuánticos exhiben propiedades notables. Por ejemplo, pueden conducir la electricidad sin pérdidas a bajas temperaturas. A menudo, incluso pequeños cambios en la temperatura, la presión o el voltaje eléctrico son suficientes para cambiar drásticamente el comportamiento del material.

En principio, los imanes también pueden considerarse materiales cuánticos; después de todo, el magnetismo se basa en el giro intrínseco de los electrones en el material. “De alguna manera, estos giros pueden comportarse como un líquido“, explica en un comunicado el profesor Jochen Wosnitza del Laboratorio Magnético de Alto Campo (HLD) de Dresde. “A medida que bajan las temperaturas, estos giros desordenados pueden congelarse, al igual que el agua se congela“.

Por ejemplo, ciertos tipos de imanes, los llamados ferroimanes, no son magnéticos por encima de su punto de “congelación“, o más precisamente, de ordenación. Solo cuando caen por debajo pueden convertirse en imanes permanentes.

El equipo internacional pretendía crear un estado cuántico en el que la alineación atómica asociada con los espines no estuviera ordenada, incluso a temperaturas ultrafrías, similar a un líquido que no se solidifica, incluso en condiciones de frío extremo. Para lograr este estado, el grupo de investigación utilizó un material especial, un compuesto de los elementos, praseodimio, circonio y oxígeno. Asumieron que, en este material, las propiedades de la red cristalina permitirían que los espines de los electrones interactuaran con sus orbitales alrededor de los átomos de una manera especial.

“Sin embargo, el requisito previo era tener cristales de extrema pureza y calidad“, explica el profesor Satoru Nakatsuji de la Universidad de Tokio. Fueron necesarios varios intentos, pero finalmente el equipo pudo producir cristales lo suficientemente puros para su experimento: en un criostato, una especie de súper termo, los expertos enfriaron gradualmente su muestra hasta 20 milikelvin, solo una quincuagésima parte de un grado por encima de la temperatura de cero absoluto.

Para ver cómo respondía la muestra a este proceso de enfriamiento y dentro del campo magnético, midieron cuánto cambió en longitud. En otro experimento, el grupo registró cómo reaccionaba el cristal a las ondas de ultrasonido que se enviaban directamente a través de él.

El resultado: “Si se hubieran ordenado los espines, debería haber causado un cambio abrupto en el comportamiento del cristal, como un cambio repentino en la longitud“, describe el Dr. Sergei Zherlitsyn, experto en investigaciones de ultrasonido de HLD. “Sin embargo, como observamos, ¡no pasó nada! No hubo cambios repentinos ni en la longitud ni en su respuesta a las ondas de ultrasonido“.

La conclusión: la pronunciada interacción de espines y orbitales había impedido el ordenamiento, razón por la cual los átomos permanecieron en su estado cuántico líquido, la primera vez que se observaba tal estado cuántico. Investigaciones posteriores en campos magnéticos confirmaron esta suposición.

Este resultado de investigación básica también podría tener implicaciones prácticas algún día: “En algún momento, podríamos usar el nuevo estado cuántico para desarrollar sensores cuánticos altamente sensibles“, especula Jochen Wosnitza. “Para hacer esto, sin embargo, todavía tenemos que descubrir cómo generar excitaciones en este estado de forma sistemática“.

La detección cuántica se considera una tecnología prometedora del futuro. Debido a que su naturaleza cuántica los hace extremadamente sensibles a los estímulos externos, los sensores cuánticos pueden registrar campos magnéticos o temperaturas con mucha mayor precisión que los sensores convencionales.