Un equipo liderado por el físico de la Universidad Rice Pengcheng Dai ha confirmado un comportamiento emergente similar a fotones en un material de líquido de espín cuántico. El descubrimiento en óxido de cerio y zirconio verifica un verdadero hielo de espín cuántico tridimensional. Este avance resuelve un enigma de larga data en la física de la materia condensada.
Los físicos han estado desconcertados durante mucho tiempo por el comportamiento de los líquidos de espín cuánticos, materiales que desafían el ordenamiento magnético típico. En un estudio publicado en Nature Physics, los investigadores verificaron la existencia de fotones emergentes y excitaciones de espín fraccionalizadas en óxido de cerio y zirconio (Ce₂Zr₂O₇). Liderado por Pengcheng Dai, el profesor Sam and Helen Worden de Física y Astronomía en la Universidad Rice, el equipo utilizó técnicas avanzadas para observar estos fenómenos a temperaturas cercanas al cero absoluto.
Los líquidos de espín cuánticos mantienen momentos magnéticos entrelazados en movimiento constante, evitando los patrones ordenados vistos en imanes convencionales. Este estado imita aspectos de la electrodinámica cuántica y promete aplicaciones en computación cuántica y transmisión de energía eficiente. El material Ce₂Zr₂O₇ se presentó como un ejemplo prístino de un hielo de espín cuántico tridimensional.
Para detectar estas señales elusivas, los investigadores emplearon dispersión de neutrones polarizados, que aisló las contribuciones magnéticas minimizando el ruido a medida que las temperaturas descendían hacia cero. Sus datos revelaron señales de fotones emergentes a bajas energías, distinguiendo el hielo de espín cuántico de otras fases magnéticas. Las mediciones de calor específico lo corroboraron, mostrando patrones de dispersión similares a ondas sonoras en sólidos.
"Hemos respondido a una gran pregunta abierta al detectar directamente estas excitaciones", dijo Dai. "Esto confirma que Ce₂Zr₂O₇ se comporta como un verdadero hielo de espín cuántico."
Los esfuerzos previos se enfrentaron a desafíos por limitaciones técnicas y muestras impuras, pero la preparación mejorada e instrumentos de laboratorios en Europa y Norteamérica permitieron resultados más claros. El equipo también detectó spinones, reforzando las predicciones teóricas.
Bin Gao, autor principal del estudio y científico investigador en Rice, destacó el impacto más amplio: "Este sorprendente resultado anima a los científicos a profundizar en estos materiales únicos, potencialmente cambiando nuestra comprensión de los imanes y el comportamiento de los materiales en el régimen cuántico extremo."
Los coautores incluyen expertos de la Universidad de Toronto, la Universidad Técnica de Viena, el Institut Laue-Langevin, el Centro Jülich y la Universidad Rutgers. La financiación provino del Departamento de Energía de EE.UU., la Fundación Gordon y Betty Moore y la Fundación Robert A. Welch.
Esta observación proporciona una plataforma robusta para explorar la materia cuántica entrelazada y sus aplicaciones tecnológicas.
