Suena como un acertijo: ¿qué obtienes si tomas dos diamantes pequeños, colocas un pequeño cristal magnético entre ellos y los aprietas muy lentamente?
La respuesta es un líquido magnético, que parece contradictorio. Los líquidos se convierten en sólidos bajo presión, pero generalmente no al revés. Pero este descubrimiento fundamental inusual, presentado por un equipo de investigadores que trabajan en la Fuente Avanzada de Fotones APS, unLas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de los EE. UU. DOE en el Laboratorio Nacional Argonne del DOE pueden brindar a los científicos una nueva visión de la superconductividad a alta temperatura y la computación cuántica.
Aunque los científicos e ingenieros han estado utilizando materiales superconductores durante décadas, el proceso exacto por el cual los superconductores de alta temperatura conducen la electricidad sin resistencia sigue siendo un misterio mecánico cuántico. Los signos reveladores de un superconductor son una pérdida de resistencia y una pérdida demagnetismo: los superconductores de alta temperatura pueden funcionar a temperaturas superiores a las del nitrógeno líquido ? 320 grados Fahrenheit, lo que los hace atractivos para líneas de transmisión sin pérdidas en redes eléctricas y otras aplicaciones en el sector energético.
Pero nadie sabe realmente cómo los superconductores de alta temperatura alcanzan este estado. Este conocimiento es necesario para aumentar la temperatura de funcionamiento de estos materiales hacia la temperatura ambiente, algo que sería necesario para la implementación a gran escala de los superconductores en las redes eléctricas de conservación de energía.
Una idea presentada en 1987 por el difunto teórico Phil Anderson de la Universidad de Princeton implica poner los materiales en un estado líquido de espín cuántico, que Anderson propuso podría conducir a una superconductividad a alta temperatura. La clave son los espines de los electrones en cada uno de losátomos de material, que bajo ciertas condiciones pueden ser empujados a un estado donde se "frustran" y no pueden organizarse en un patrón ordenado.
Para aliviar esta frustración, las direcciones de espín de electrones fluctúan en el tiempo, alineándose solo con espines vecinos durante cortos períodos de tiempo, como un líquido. Son estas fluctuaciones las que pueden ayudar en la formación de pares de electrones necesarios para la superconductividad a alta temperatura.
La presión proporciona una manera de "sintonizar" la separación entre los giros de electrones y conducir un imán a un estado frustrado donde el magnetismo desaparece a cierta presión y emerge un líquido de espín, según Daniel Haskel, físico y líder del grupo en X de ArgonneRay Science Division XSD que dirigió un equipo de investigación a través de una serie de experimentos en el APS para hacer precisamente eso. El equipo incluyó al físico asistente de Argonne Gilberto Fabbris y los físicos Jong-Woo Kim y Jung Ho Kim, todos de XSD.
Haskel tiene cuidado de decir que los resultados de su equipo, publicados recientemente en Cartas de revisión física , no demuestre de manera concluyente la naturaleza cuántica del estado líquido del espín, en el cual los espines atómicos continuarían moviéndose incluso a temperaturas de cero absoluto; se necesitarían más experimentos para confirmarlo.
Pero sí muestran que, al aplicar una presión lenta y constante, algunos materiales magnéticos pueden ser empujados a un estado similar a un líquido, en el cual los espines de electrones se desordenan y el magnetismo desaparece, mientras se preserva la disposición cristalina de los átomos que alberganGiros de electrones Los investigadores confían en que han creado un líquido de espín, en el que los espines de electrones están desordenados, pero no están seguros de si esos espines están enredados, lo que sería un signo de un líquido de espín cuántico.
Si se trata de un líquido de giro cuántico, dijo Haskel, la capacidad de crear uno por este método tendría amplias implicaciones.
"Algunos tipos de líquidos de espín cuántico pueden permitir la computación cuántica libre de errores", dijo Haskel. "Un líquido de espín cuántico es una superposición de estados de espín, fluctuantes pero enredados. Es justo decir que este proceso, si crea un cuantogirar líquido con superposición cuántica, habrá hecho un qubit, el componente básico de una computadora cuántica ".
Entonces, ¿qué hizo el equipo y cómo lo hicieron? Eso nos lleva de vuelta a los diamantes, parte de una configuración experimental única en el APS. Los investigadores usaron dos yunques de diamantes, cortados de una manera similar a lo que usted haríavea en joyerías, con una base ancha y un borde plano más estrecho. Colocaron los bordes planos más pequeños juntos, insertaron una muestra de material magnético en este caso una aleación de estroncio-iridio entre ellos, y empujaron.
"La idea es que a medida que lo presurizas, une a los átomos", dijo Fabbris. "Y como podemos hacerlo lentamente, podemos hacerlo continuamente, y podemos medir las propiedades de la muestra a medida que avanzamos".en presión "
Cuando Fabbris dice que la presión se aplicó lentamente, no está bromeando: cada uno de estos experimentos tomó aproximadamente una semana, dijo, usando una muestra de aproximadamente 100 micras de diámetro, o aproximadamente el ancho de una lámina delgada depapel. Dado que los investigadores no sabían a qué presión desaparecería el magnetismo, tuvieron que medir cuidadosamente con cada aumento muy leve.
Y vean cómo desaparecieron, alrededor de 20 gigapascales, equivalentes a 200,000 atmósferas, o alrededor de 200 veces más presión de la que se puede encontrar en el fondo de la Fosa de las Marianas en el Océano Pacífico, la zanja más profunda de la Tierra.de los electrones permanecieron correlacionados en distancias cortas, como un líquido, pero permanecieron desordenados incluso a temperaturas tan bajas como 1.5 Kelvin ? 457 grados Fahrenheit.
El truco, dijo Haskel, y la clave para crear un estado líquido de rotación, era preservar el orden cristalino y la simetría de la disposición atómica, ya que el efecto no deseado del desorden aleatorio en las posiciones atómicas habría dado lugar a un magnético diferenteestado, uno sin las propiedades únicas del estado líquido de espín. Haskel compara los espines de electrones con los vecinos en una manzana de la ciudad: a medida que se acercan, todos quieren hacerse felices, cambiando su dirección de giro para que coincida con la de sus vecinos.El objetivo es acercarlos tanto que no puedan mantener contentos a todos sus vecinos, "frustrando" sus interacciones de giro, manteniendo la estructura de la manzana.
El equipo de investigación utilizó las capacidades de imágenes de rayos X intensas del APS para medir el magnetismo de la muestra, y de acuerdo con Haskel y Fabbris, el APS es la única instalación en los Estados Unidos donde se podría hacer un experimento de este tipo.En particular, dijo Fabbris, la capacidad de concentrarse en un tipo de átomo, ignorando todos los demás, fue crucial.
"Las muestras son muy pequeñas, y si intentas medir el magnetismo con otras técnicas en un laboratorio universitario, recogerás la señal magnética de los componentes en la célula del yunque de diamante", dijo Fabbris. "Las medidas que hicimos son imposiblessin una fuente de luz como el APS. Tiene una capacidad única para esto "
Ahora que el equipo ha alcanzado un estado líquido de centrifugado, ¿qué sigue? Se necesita más experimentación para ver si se ha creado un líquido de centrifugado cuántico. Los experimentos futuros implicarán sondear la naturaleza de la dinámica del giro y las correlaciones más directamente en el estado líquido de centrifugadoPero los resultados recientes, dijo Haskel, proporcionan un camino para realizar estos esquivos estados cuánticos, uno que podría conducir a nuevas ideas sobre la superconductividad y las ciencias de la información cuántica.
Haskel también señaló la actualización APS, un proyecto masivo que verá aumentar el brillo del instrumento hasta 1,000 veces. Esto, dijo, permitirá sondas mucho más profundas en estos fascinantes estados de la materia.
"Depende de la imaginación de cualquiera qué sorprendentes efectos de la mecánica cuántica esperan ser descubiertos", dijo.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Argonne . Original escrito por Andre Salles. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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