Las personas no son las únicas que se sienten frustradas ocasionalmente. Algunos cristales también muestran frustraciones. Lo hacen siempre que sus imanes elementales, los espines magnéticos, no pueden alinearse correctamente. El cloruro de cobre de cesio Cs2CuCl4 - o CCC para abreviar - esun excelente ejemplo de materiales frustrados. En este cristal, los átomos de cobre magnético residen en una red triangular y buscan alinearse antiparalelos entre sí. Sin embargo, en un triángulo, esto no funciona. Esta frustración geométrica desafía a los físicos. Después de todo,promete el descubrimiento de nuevos fenómenos magnéticos que incluso pueden usarse para computadoras cuánticas en el futuro. Para investigar y comprender mejor los conceptos básicos subyacentes, los físicos del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf HZDR en Alemania, con el apoyo de colegas japoneses y estadounidenses, ahora puede controlar el acoplamiento magnético utilizando un método de medición elegante.
"Nuestro objetivo es dilucidar en detalle los complejos procesos cuánticos en cristales geométricamente frustrados", explica el Dr. Sergei Zvyagin del Laboratorio de campo magnético alto de Dresde en el HZDR. Las teorías sobre el comportamiento magnético de cristales como el CCC abundan. PeroHasta ahora, faltan experimentos sofisticados para probar estas teorías sobre el objeto en sí. Para este fin, es útil cambiar deliberadamente la fuerza de las interacciones entre los átomos magnéticos.
Los físicos en muchos laboratorios a menudo toman una ruta tediosa: producen cristales con frustración geométrica en una composición química ligeramente diferente. Esto cambia la interacción magnética entre los imanes elementales, pero a veces también, involuntariamente, la estructura cristalina. Zvyagin dejó estolaborioso, puramente químico camino hacia un conocimiento más profundo. En cambio, utilizó altas presiones. En estas condiciones, la fuerza del acoplamiento de los espines magnéticos se puede cambiar casi continuamente.
"Con el nuevo método, podemos controlar los parámetros de acoplamiento dentro del cristal y simultáneamente medir los efectos sobre las propiedades magnéticas", dice Sergei Zvyagin. Recibió los cristales CCC para sus experimentos del grupo del Dr. Hidekazu Tanaka en el Instituto de Tokiode tecnología: con una longitud de borde de solo unos pocos milímetros y su brillante translucidez naranja, recuerdan más a las brillantes piedras preciosas de granate que a los cristales artificiales cultivados en el laboratorio.
También en Japón, en la Universidad de Tohoku en Sendai, Zvyagin y sus colegas colocaron los cristales en una prensa de alta presión con pistones hechos de óxido de circonio de alta resistencia. Los investigadores gradualmente aumentaron la presión a alrededor de dos gigapascales, una presión similaral que ejerce el peso de un automóvil sobre una superficie del tamaño de una mina de lápiz de color.
"Bajo esta presión, las distancias entre los átomos cambiaron muy poco", dice Zvyagin. "Pero las propiedades magnéticas del cristal mostraron un cambio drástico". Los investigadores pudieron medir estos cambios directamente usando la resonancia electrónica de espín ESRDeterminaron la transmitancia de la luz o más precisamente: microondas en un campo magnético externo muy fuerte de hasta 25 Tesla, aproximadamente medio millón de veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra. Además, el cristal tenía que ser profundo.congelado a -271 grados Celsius, casi a cero absoluto, para evitar efectos perturbadores causados por el calor.
Estas mediciones en un fuerte campo magnético externo revelaron las propiedades magnéticas muy inusuales del material. Los investigadores pudieron variar la fuerza del acoplamiento entre espines magnéticos vecinos cambiando la presión. Otras mediciones utilizando un método adicional de investigación de materiales -- la técnica del oscilador de diodo de túnel TDO - complementó estos resultados. Las mediciones de TDO se llevaron a cabo, también bajo altas presiones y en fuertes campos magnéticos, en la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee.
Además, Zvyagin y sus colegas encontraron evidencia de que CCC bajo alta presión exhibe una cascada de nuevas fases con un campo magnético creciente, ausente a presión cero. "Gracias a estas mediciones, ahora estamos un paso más hacia una mejor comprensión de la variedad deestas fases ", dice el profesor Joachim Wosnitza, jefe del Laboratorio de campo magnético alto de Dresde.
"La identificación exacta de estas fases es uno de nuestros próximos objetivos", dice Zvyagin. En el futuro, tiene la intención de determinar las estructuras exactas de sus cristales CCC mediante la dispersión de neutrones. Para estos planes, aprecia la excelente investigacióncondiciones que ofrece el HZDR con su estrecha red internacional. "Para mí, es un lugar ideal para mi interés en la investigación fundamental", dice el físico. "Y si entendemos los procesos cuánticos en estos cristales con geometría frustrada, las aplicaciones también podríansurgir."
Joachim Wosnitza también ve un gran potencial en las propiedades magnéticas exóticas de estos cristales. "Uno podría imaginar sistemas cuánticos de larga vida en los que los espines magnéticos se pueden usar de manera controlada", dice Wosnitza. "Si esto conducirá aSin embargo, todavía no se puede anticipar una computadora cuántica o un sensor especial ". El camino hacia tales aplicaciones aún podría ser muy largo. Pero con sus mediciones exitosas, los investigadores del HZDR no tienen motivos para sentirse frustrados, a diferencia de sus muestras de cristal".
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Materiales proporcionado por Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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