En el laboratorio del científico de materiales de la UC Santa Bárbara, Stephen Wilson, investigadores exploran la física detrás de estados inusuales de la materia, al tiempo que diseñan materiales que podrían sustentar propiedades útiles para futuras tecnologías cuánticas.
Una investigación publicada en Nature Materials describe una nueva forma de utilizar un fenómeno conocido como frustración del orden de largo alcance en un material para crear estados magnéticos no convencionales. Estos estados podrían eventualmente ser relevantes para las tecnologías cuánticas. Wilson enfatizó que el trabajo se centra en la ciencia básica más que en aplicaciones inmediatas. “Esta es ciencia fundamental destinada a abordar una pregunta básica. Busca sondear qué física podría ser posible para futuros dispositivos”, afirmó.
Su estudio, titulado “Frustración de enlace intercalada en un antiferromagneto de red triangular”, examina cómo pueden surgir múltiples formas de frustración en estos sistemas. Un tipo importante es la frustración geométrica, que ocurre cuando los momentos magnéticos en un material no pueden establecerse en un patrón estable único y, en cambio, permanecen en una configuración fluctuante.
Pequeños Imanes Atómicos y Geometría Frustrada
Wilson explicó el magnetismo utilizando una analogía sencilla. “Puede pensar en el magnetismo como derivado de pequeños imanes de barra que se encuentran en los sitios atómicos de una red cristalina”, dijo. Estos pequeños imanes se denominan momentos dipolares magnéticos. Dependiendo de la estructura de un material, interactúan entre sí y se organizan de manera que minimizan su energía, o, en otras palabras, alcanzan su estado fundamental. El estado fundamental representa la configuración de energía más baja posible de un sistema y, a temperatura cero absoluto, todo sistema existe en este estado.
Wilson continuó: “Si esos momentos magnéticos interactúan de tal manera que quieren apuntar en dirección antiparalela entre sí, llamamos a eso antiferromagnetismo”. En una disposición cuadrada de átomos, esta interacción funciona fácilmente. Cada momento magnético puede apuntar en dirección opuesta a sus vecinos, produciendo una configuración estable.
Sin embargo, las cosas cambian cuando los átomos forman una disposición triangular. En esa geometría, se vuelve imposible que cada momento magnético apunte en dirección opuesta a todos sus vecinos al mismo tiempo. Como describió Wilson, los momentos comienzan a competir entre sí. Están efectivamente frustrados porque la geometría de la red les impide alcanzar el arreglo de energía más bajo. El sistema intenta alcanzar el equilibrio, pero no puede hacerlo por completo debido a la estructura que ocupa.
Frustración de Enlace y Compartición de Electrones
Un tipo similar de frustración puede ocurrir en otro aspecto de los electrones. En lugar de involucrar el magnetismo, puede surgir de la carga del electrón. Cuando dos iones cercanos intentan compartir un electrón a través de un enlace, pueden formar lo que los científicos llaman un dímero atómico.
Al igual que las interacciones magnéticas pueden frustrarse en ciertas estructuras reticulares, estos dímeros también pueden enfrentar restricciones en geometrías como redes triangulares o panales. El resultado puede ser una red de enlaces que en sí misma está frustrada. Dicha red suele ser muy sensible a la tensión y aplicar tensión puede aliviar parcialmente la frustración dentro del patrón de enlace.
El estudio de Wilson se centra en una clase extremadamente rara de materiales donde ambos tipos de frustración existen al mismo tiempo. La frustración magnética y la frustración de enlace aparecen juntas en la misma estructura.
Acoplamiento de Dos Sistemas Frustrados
Wilson describió el hallazgo como “emocionante” porque abre una posible vía para controlar un sistema frustrado influyendo en el otro. En los últimos seis o siete años, los científicos han aprendido a crear estados magnéticos frustrados utilizando materiales construidos a partir de redes triangulares de lánxidos, un grupo de elementos que se encuentran a lo largo de la fila inferior de la tabla periódica.
“En principio, esta red triangular de momentos de lánxidos adecuadamente elegidos puede causar que surja un tipo especial de estado intrínsecamente cuántico desordenado”, dijo Wilson. El objetivo del equipo era basarse en esa idea. “Una de las cosas que intentamos hacer en este proyecto fue funcionalizar ese estado exótico incrustándolo en una red cristalina que tiene un grado adicional de frustración de enlace”.
Los investigadores saben que el magnetismo cuántico desordenado puede adoptar varias formas. Algunos de estos estados pueden admitir entrelazamiento de largo alcance entre espines, que es un concepto clave en la ciencia de la información cuántica. Wilson explicó: “Algunos estados pueden albergar un entrelazamiento de largo alcance de espines, lo que es de interés en el campo de la información cuántica. Sería emocionante obtener el control de esos estados aplicando una tensión en la red de enlace frustrada”.
Hacia el Control de Estados Cuánticos
Cuando dos sistemas frustrados coexisten y ambos son muy sensibles a perturbaciones como la tensión o los campos magnéticos, surge una pregunta importante. Los científicos quieren saber si los dos sistemas pueden influenciarse mutuamente. Si una capa se ordena bajo ciertas condiciones, podría afectar potencialmente a la otra capa también.
“Es una forma de impartir a las cosas una funcionalidad o respuesta a otras cosas a las que de otro modo no responderían”, explicó Wilson. “Por lo tanto, en principio, se pueden diseñar grandes respuestas ferroicas. Se puede aplicar un poco de tensión, lo que induce orden magnético, o se puede aplicar un poco de campo magnético e inducir cambios en la estructura”.
“De nuevo, en principio, si se puede encontrar un estado fundamental cuántico desordenado que albergue entrelazamiento de largo alcance, la pregunta entonces se convierte en si se puede acceder a ese entrelazamiento, por ejemplo, acoplándolo a otra capa, como la frustración de enlace”.
A Wilson también le interesa si este enfoque podría conducir a la emergencia simultánea de múltiples tipos de orden. “Básicamente, podría tener diferentes tipos de orden que se nuclean debido a la proximidad de estas dos redes frustradas”, dijo. “Esa es la idea general”.
