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Jun 13, 2023

La observación de un estado fundamental cuántico desordenado en un imán de celosía triangular

25 de mayo de 2023 artículo Este

Característica del 25 de mayo de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los materiales magnéticos con una red triangular han sido el foco de numerosos estudios de investigación, ya que las predicciones teóricas sugieren que podrían exhibir estados líquidos de espín. Se trata de fases cuánticas de la materia que presentan interesantes características, como el entrelazamiento cuántico y las excitaciones fraccionadas.

Si bien ha habido numerosos esfuerzos experimentales destinados a observar estas fases fascinantes en materiales con una red triangular, hasta ahora ha resultado ser un gran desafío. Una razón clave de esto es que el débil acoplamiento espín-órbita y otras perturbaciones en estos materiales suelen dar lugar a estados magnéticos o de congelación de espín convencionales.

Investigadores de la Universidad de California, Boston College, el Laboratorio Nacional de Oak Ridge y el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología pudieron producir recientemente un estado fundamental cuántico desordenado en el imán de red triangular NaRuO2. Sus hallazgos, publicados en Nature Physics, sugieren que este estado fue habilitado por la interacción cooperativa entre el acoplamiento espín-órbita y los efectos de correlación en el material magnético.

"Hemos estado estudiando redes triangulares durante mucho tiempo, buscando materiales que alberguen lo que llamamos estados fundamentales cuánticos desordenados", dijo a Phys.org Stephen D. Wilson, uno de los investigadores que llevó a cabo el estudio. "Estos son estados en los que los momentos magnéticos en cada átomo, cada uno sentado dentro de una red de triángulos que comparten bordes, no se ordenan o se congelan en su lugar incluso en el cero absoluto. Esta falta de orden se debe nominalmente a las fluctuaciones cuánticas que revuelven continuamente los momentos. y sirven para definir un nuevo estado fundamental magnético intrínsecamente desordenado y dinámico".

Un enfoque para realizar estados fundamentales cuánticos en materiales implica identificar estrategias efectivas para entrelazar el grado de libertad orbital de los electrones individuales con su grado de libertad de espín. En última instancia, esto se puede lograr combinando cuidadosamente diferentes elementos, por ejemplo, incluyendo rutenio (Ru) en compuestos, que también se incluyó en la muestra de NaRuO2 del equipo.

"Un gran desafío fue hacer que el material que nos interesaba, NaRuO2, fuera limpio", explicó Wilson. "Para probar realmente lo que está sucediendo en el ámbito del magnetismo cuántico, realmente es necesario eliminar los factores extrínsecos como las impurezas químicas tanto como sea posible. Una vez que hicimos NaruO2 con la calidad suficiente, hubo varios experimentos que pudimos realizar, todos ellos descubrir un poco más sobre la física de lo que está pasando. En otras palabras, necesitas varias ventanas diferentes para formar la imagen completa de un material complicado".

Después de que se dieron cuenta de su muestra limpia de NaRuO2, Wilson y sus colegas procedieron a realizar una serie de pruebas y experimentos para comprender mejor su física subyacente. Primero lo examinaron utilizando métodos básicos de caracterización a granel, por ejemplo, midiendo su susceptibilidad magnética y su capacidad calorífica a temperaturas muy bajas.

"También llevamos a cabo experimentos más avanzados como la dispersión de neutrones inelásticos y las medidas de relajación del espín de los muones", dijo Wilson. "Todas estas sondas nos dicen un poco sobre lo que hacen los momentos magnéticos en NaRuO2 a medida que se enfría hacia su estado fundamental, cada uno en diferentes escalas de tiempo y longitud. Cuando la imagen agregada muestra que los momentos magnéticos no se ordenan y, en cambio, fluctúan como se enfría a temperaturas muy por debajo de las que debería, entonces puede comenzar a pintar una imagen de un estado fundamental cuántico desordenado".

Los experimentos realizados por Wilson y sus colegas mostraron que su muestra de NaRuO2 cuidadosamente diseñada exhibía un estado fundamental magnético inherentemente fluctuante. A bajas temperaturas, las excitaciones de espín en el material produjeron un término similar al metal en su capacidad calorífica y una serie de excitaciones continuas en su dispersión de neutrones, que se parecían a las asociadas con los estados líquidos de espín observados previamente en imanes con una red triangular.

"Nuestro trabajo demuestra que las redes triangulares construidas a partir de iones de metales de transición entrelazados en órbita (por ejemplo, Ru) pueden ser muy interesantes y, lo que es más importante, las interacciones anisotrópicas necesarias para desestabilizar el orden magnético convencional se pueden realizar en materiales reales", dijo Wilson. "Demostramos que esto puede suceder incluso en materiales donde la fuerza del acoplamiento de intercambio magnético es nominalmente bastante fuerte, como es el caso de NaRuO2".

Estudios teóricos recientes colocan a NaRuO2 en un régimen ferromagnético estricto, lo que significa que las interacciones dominantes en el material deberían conducir a todos los momentos a apuntar paralelos entre sí. Si bien el ferromagnetismo sería bastante fácil de detectar, los hallazgos recopilados por Wilson y sus colegas sugieren que no está allí, sino que algo más está sucediendo dentro de este compuesto.

En el futuro, nuevos estudios podrían ayudar a comprender mejor la física de este fascinante imán triangular, lo que podría ayudar a resolver este misterio. Además, el trabajo reciente de este equipo de investigadores podría inspirar nuevos estudios destinados a observar estados líquidos de espín cuántico en otros imanes con una red triangular.

"Nuestro próximo paso será intentar hacer monocristales de este material", agregó Wilson. "Podemos obtener mucha más información sobre la física que impulsa este material inusual una vez que podamos explorar sus anisotropías inherentes y otros experimentos sean posibles una vez que se puedan obtener cristales individuales. La siguiente gran pregunta es qué tipo de estado magnético desordenado cuántico se forma NaRuO2: uno quiere Idealmente, ir más allá de simplemente definir lo que no es el estado y, en cambio, comenzar a pintar como una imagen experimental más precisa de lo que es el estado fundamental magnético".

Más información: Brenden R. Ortiz et al, Estado fundamental desordenado cuántico en el imán de celosía triangular NaRuO2, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02039-x

Información del diario:Física de la naturaleza

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