MADRID, 26 Mar. (EUROPA PRESS) -
Dos científicos del Brookhaven National Laboratory de Estados Unidos han descubierto una nueva fase de la materia al estudiar un sistema modelo de un material magnético.
Esta fase es un patrón nunca antes visto de espines electrónicos: los diminutos momentos magnéticos 'arriba' y 'abajo' que presenta cada electrón. Consiste en una combinación de espines 'fríos' altamente ordenados y espines 'calientes' altamente desordenados, por lo que se le ha denominado 'mitad hielo, mitad fuego'. Los investigadores descubrieron la nueva fase al estudiar un modelo unidimensional de un tipo de material magnético llamado ferrimagnético.
'Mitad hielo, mitad fuego' es notable no solo porque no se había observado antes, sino también porque es capaz de provocar cambios de fase extremadamente bruscos en el material a una temperatura finita razonable. Este fenómeno podría tener aplicaciones en las industrias de la energía y la tecnología de la información.
Los investigadores, los físicos Weiguo Yin y Alexei Tsvelik, describen su trabajo en una edició reciente de la revista Physical Review Letters.
"Encontrar nuevos estados con propiedades físicas exóticas, y poder comprender y controlar las transiciones entre ellos, son problemas centrales en los campos de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales", afirmó Yin en un comunicado. "Resolver estos problemas podría conducir a grandes avances en tecnologías como la computación cuántica y la espintrónica".
Tsvelik añadió: "Sugerimos que nuestros hallazgos podrían abrir nuevas puertas a la comprensión y el control de las fases y las transiciones de fase en ciertos materiales".
PRIMERO LLEGARON EL FUEGO Y EL HIELO
La fase 'mitad hielo, mitad fuego' es el estado gemelo de la fase "mitad fuego, mitad hielo", descubierta por Yin, Tsvelik y Christopher Roth, su becario de verano de 2015, quien actualmente realiza un posdoctorado en el Instituto Flatiron. Describen el descubrimiento en un artículo publicado a principios de 2024.
Pero la historia completa se remonta a 2012, cuando Yin y Tsvelik formaban parte de una colaboración multiinstitucional, liderada por el físico John Hill, de Brookhaven, que estudiaba Sr3CuIrO3, un compuesto magnético de estroncio, cobre, iridio y oxígeno. Esta investigación dio lugar a dos artículos: un estudio experimental en 2012 y un estudio teórico en 2013, ambos publicados en Physical Review Letters.
Yin y Tsvelik continuaron estudiando el comportamiento de las fases de Sr3CuIrO3 y, en 2016, descubrieron la fase 'mitad fuego, mitad hielo'. En este estado, inducido por un campo magnético externo crítico, los espines "calientes" en los sitios de cobre están completamente desordenados en la red atómica y presentan momentos magnéticos menores, mientras que los espines "fríos" en los sitios de iridio están completamente ordenados y presentan momentos magnéticos mayores. Ese trabajo se publicó en Physical Review B.
"Sin embargo, a pesar de nuestra extensa investigación, aún desconocíamos cómo se podía utilizar este estado, especialmente porque se sabe desde hace un siglo que el modelo unidimensional de Ising, un modelo matemático establecido del ferromagnetismo que produce el estado mitad fuego, mitad hielo, no presenta una transición de fase a temperatura finita", afirmó Tsvelik. "Nos faltaban piezas del rompecabezas".
Yin identificó recientemente una pista sobre las piezas que faltaban. En dos publicaciones para sistemas con y sin campo magnético externo, respectivamente, demostró que la transición de fase prohibida mencionada anteriormente puede abordarse mediante un cruce de fases ultraestrecho a una temperatura finita fija.
En este trabajo, Yin y Tsvelik han descubierto que 'mitad fuego, mitad hielo' tiene un estado opuesto oculto en el que los espines caliente y frío intercambian posiciones. Es decir, los espines calientes se vuelven fríos y los fríos se vuelven calientes, lo que les llevó a denominar la fase 'mitad hielo, mitad fuego'.
El modelo revela que la conmutación entre fases se produce en un rango de temperatura ultraestrecho, y Yin y Tsvelik ya han sugerido posibles maneras de utilizar esto en aplicaciones futuras. Por ejemplo, la conmutación de fase ultrarrápida con un cambio de entropía magnética gigantesco -ofrecida por 'mitad fuego, mitad hielo'- podría ser útil para las tecnologías de refrigeración. El fenómeno también podría servir de base para un nuevo tipo de tecnología de almacenamiento de información cuántica en la que las fases actúan como bits.
"A continuación, exploraremos el fenómeno fuego-hielo en sistemas con espines cuánticos y con grados de libertad adicionales de red, carga y orbitales", afirmó Yin.