Descubren un nuevo estado cuántico al manipular la "frustración" atómica

Un equipo de físicos de la Universidad de California - Santa Bárbara realizó un descubrimiento significativo en la manipulación de estados magnéticos inusuales, utilizando un fenómeno conocido como "frustración" dentro de la estructura atómica de un cristal. En su investigación, publicada en Nature Materials, los científicos identificaron un sistema raro donde coexisten y se interrelacionan dos tipos de frustración: la magnética y la de enlace electrónico.

La investigación, liderada por el científico de materiales Stephen Wilson, se centra en la ciencia básica más que en aplicaciones inmediatas. Wilson afirmó: "Este es un trabajo de ciencia fundamental que busca abordar una pregunta básica. Se trata de explorar qué física puede ser posible para futuros dispositivos".

El estudio titulado "Frustración de enlace entrelazado en un antiferromagneto de red triangular" investiga cómo múltiples formas de frustración pueden surgir en estos sistemas. Una de las formas más relevantes es la frustración geométrica, que ocurre cuando los momentos magnéticos en un material no pueden establecer un único patrón estable y, en cambio, permanecen en una configuración fluctuante.

Los momentos magnéticos, que pueden ser imaginados como pequeños imanes en una red cristalina, interactúan entre sí dependiendo de la estructura del material, buscando configuraciones que minimicen su energía. Wilson explicó que, en un arreglo cuadrado de átomos, cada momento magnético puede apuntar en direcciones opuestas a sus vecinos, produciendo una configuración estable. Sin embargo, en una disposición triangular, se vuelve imposible que todos los momentos magnéticos apunten en direcciones opuestas al mismo tiempo, lo que genera una competencia entre ellos, resultando en un estado de frustración.

Además de la frustración magnética, el estudio también aborda la frustración de enlace, que surge cuando dos iones cercanos intentan compartir un electrón. Esta frustración puede ocurrir en estructuras geométricas como redes triangulares o de panal, creando una red de enlaces que puede ser muy sensible a la tensión.

El hallazgo de un sistema donde ambas frustraciones coexisten es considerado emocionante por Wilson, ya que permite la posibilidad de controlar un sistema frustrado influyendo en el otro. En los últimos años, los científicos han aprendido a crear estados magnéticos frustrados utilizando materiales formados por redes triangulares de lantánidos, un grupo de elementos en la parte inferior de la tabla periódica.

El equipo de investigación se propuso construir sobre esta idea, buscando incrustar un estado cuántico desordenado intrínseco en una red cristalina que tenga un grado adicional de frustración de enlace. Esto podría permitir que ciertos estados soporten entrelazamiento a larga distancia entre spins, un concepto clave en la ciencia de la información cuántica.

Cuando ambos sistemas frustrados están juntos y son altamente sensibles a perturbaciones, como la tensión o campos magnéticos, surge la pregunta de si pueden influenciarse mutuamente. Si un sistema se ordena bajo ciertas condiciones, podría afectar al otro sistema. Wilson concluyó: "Es una forma de impartir en los sistemas una funcionalidad o respuesta a otros a los que de otro modo no responderían".

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