Spin Zone: Los Físicos Ven Por Primera Vez El Extraño Magnetismo Cuántico

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Por primera vez, los físicos observan el magnetismo cuántico que puede ofrecer pistas sobre la superconductividad y otros fenómenos físicos.

Al usar átomos súper enfriados, los físicos han observado por primera vez un fenómeno extraño llamado magnetismo cuántico, que describe el comportamiento de los átomos individuales ya que actúan como diminutos imanes de barra.

El magnetismo cuántico es un poco diferente del magnetismo clásico, el tipo que se ve cuando se pega un imán a un refrigerador, porque los átomos individuales tienen una cualidad llamada espín, que se cuantifica, o en estados discretos (generalmente llamados arriba o abajo). Sin embargo, ver el comportamiento de los átomos individuales ha sido difícil, ya que requería enfriar los átomos a temperaturas extremadamente frías y encontrar una manera de "atraparlos".

El nuevo hallazgo, detallado en la edición del 24 de mayo de la revista Science, también abre la puerta a una mejor comprensión de los fenómenos físicos, como la superconductividad, que parece estar conectada a las propiedades cuánticas colectivas de algunos materiales. [Física retorcida: 7 hallazgos alucinantes]

Ciencia del espín

El equipo de investigación del Instituto Federal de Tecnología de Suiza (ETH) en Zurich se centró en el giro de los átomos, porque eso es lo que hace que los imanes sean magnéticos: todos los espines de los átomos en una barra imantada están apuntados de la misma manera.

Para obtener una visión clara de los comportamientos de giro de los átomos, los investigadores tuvieron que enfriar los átomos de potasio casi al cero absoluto. De esa manera, el "ruido" térmico aleatorio, básicamente la radiación de fondo y el calor, no arruinó la vista al empujar los átomos de potasio a su alrededor.

Luego, los científicos crearon una "red óptica", un conjunto de rayos láser entrecruzados. Los haces interfieren entre sí y crean regiones de energía potencial alta y baja. Los átomos neutros sin carga tenderán a asentarse en los "pozos" de la red, que son regiones de baja energía.

Una vez que se construye el enrejado, los átomos a veces se "canalizan" al azar a través de los lados de los pozos, porque la naturaleza cuántica de las partículas les permite estar en múltiples lugares al mismo tiempo, o tener cantidades variables de energía. [Física cuántica: las pequeñas partículas más frescas de la naturaleza]

Otro factor que determina dónde se encuentran los átomos en la red óptica es su giro hacia arriba o hacia abajo. Dos átomos no pueden estar en el mismo pozo si sus espines son iguales. Eso significa que los átomos tendrán una tendencia a hacer túneles en pozos con otros que tienen espines opuestos. Después de un tiempo, una línea de átomos debería organizarse espontáneamente, con los espines en un patrón no aleatorio. Este tipo de comportamiento es diferente de los materiales en el mundo macroscópico, cuyas orientaciones pueden tener una amplia gama de valores intermedios; este comportamiento es también el motivo por el que la mayoría de las cosas no son imanes: los espines de los electrones en los átomos están orientados al azar y se cancelan entre sí.

Y eso es exactamente lo que encontraron los investigadores. Los espines de los átomos se organizan, al menos en la escala del experimento examinado.

"La pregunta es, ¿cuáles son las propiedades magnéticas de estas cadenas unidimensionales?" dijo Tilman Esslinger, profesor de física en ETH, cuyo laboratorio realizó los experimentos. "¿Tengo materiales con estas propiedades? ¿Cómo pueden ser útiles estas propiedades?"

Magnetismo cuántico

Este experimento abre posibilidades para aumentar el número de átomos en una red, e incluso crear disposiciones bidimensionales, en forma de cuadrícula de átomos, y posiblemente redes reticulares también.

Un debate entre los expertos es si, a escalas mayores, el ordenamiento espontáneo de los átomos ocurriría de la misma manera. Un patrón aleatorio significaría que en un bloque de átomos de hierro, por ejemplo, uno tiene la misma probabilidad de ver un átomo giratorio hacia arriba o hacia abajo en cualquier dirección. Los estados de giro están en lo que se llama un "líquido de giro", una mezcla de estados. Pero podría ser que los átomos se organicen espontáneamente en escalas más grandes.

"Han puesto los cimientos en varios asuntos teóricos", dijo Jong Han, profesor de teoría de la física de la materia condensada en la Universidad Estatal de Nueva York en Buffalo, que no participó en la investigación. "Realmente no establecen el orden a largo plazo, sino que querían establecer que han observado un orden magnético local".

Si el orden que los científicos encontraron se extiende a escalas más grandes es una pregunta importante, porque el magnetismo en sí mismo surge de los espines de los átomos cuando todos se alinean. Normalmente esos giros se alinean aleatoriamente. Pero a temperaturas muy bajas y pequeñas escalas, eso cambia, y tales imanes cuánticos se comportan de manera diferente.

Han notó que tales redes, especialmente las configuraciones donde los pozos potenciales se conectan a otros tres, en lugar de dos o cuatro, serían especialmente interesantes. El laboratorio de Esslinger demostró que los átomos tienden a saltar a pozos potenciales donde los espines son opuestos; pero si los pozos están dispuestos de modo que el átomo pueda saltar a otros dos átomos, no puede "elegir" a qué pozo ir porque uno de los dos átomos siempre estará en el mismo estado de espín.

Esslinger dijo que su laboratorio quiere intentar construir celosías bidimensionales y explorar esa pregunta. "¿Qué sucede con el magnetismo si cambio la geometría? Ya no está claro si los giros deberían estar arriba o abajo".

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