Un estudio vuelve más realista el modelo del líquido de espín

Científicos de la Universidad de São Paulo, en Brasil, investigaron de qué manera se comporta esta construcción teórica en materiales que exhiben defectos y que están sujetos a la acción de campos magnéticos externos. Los resultados se publicaron en Physical Review Letters

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – El espín es el momento magnético intrínseco de una partícula: un electrón, por ejemplo. Se trata de una magnitud fundamental, al igual que la masa y la carga. Dicho de una manera bastante simplificada, es como si la partícula poseyese un imán en su interior que le permitiese interactuar no solamente con los espines de otras partículas, sino también con campos magnéticos externos, incluso en reposo.

Por analogía con los líquidos usuales, a los sistemas en los cuales los espines no exhiben un orden magnético, aun a temperaturas cercanas al cero absoluto, se los denomina líquidos de espín. De acuerdo con el mismo tipo de nomenclatura, un sistema que exhibiese un orden magnético sería un sólido de espín, pues el ordenamiento magnético de sus espines es análogo al ordenamiento periódico de los átomos en un cristal.

La exploración de estos sistemas no solamente abre una puerta hacia la comprensión de aspectos fundamentales de la materia, sino que también apunta en el horizonte lejano hacia un importante campo de aplicación práctica: el de la computación cuántica topológica. Por eso existe un gran esfuerzo de investigación en esta área. Y un ejemplo de ello es el artículo intitulado Disorder, low-energy excitations, and topology in the Kitaev spin liquid, publicado en la revista Physical Review Letters.

“El modelo de Kitaev [formulado por el físico ruso naturalizado estadounidense Alexei Yurievich Kitaev, nacido en 1963 y en la actualidad docente del California Institute of Technology] es una propuesta de líquido de espín en dos dimensiones. Es sumamente interesante, pero un tanto artificial. Es de esperarse que aparezcan desvíos con relación al modelo original en materiales reales. Y esto fue lo que investigamos en este trabajo”, le dice a Agência FAPESP el investigador Eric Andrade, docente del Instituto de Física de São Carlos de la Universidad de São Paulo (IFSC-USP), en Brasil, y coordinador del estudio.

Andrade y su dirigido Vitor Dantas estudiaron de qué manera se comporta el modelo de Kitaev en una red de tipo panal de abejas en presencia de defectos y perturbaciones como el campo magnético e interacciones extras.

“Desde 2009 existen propuestas teóricas robustas que apuntan que este modelo puede plasmarse en aislantes de Mott, que exhiben un fuerte acoplamiento espín-órbita”, afirma Andrade.

Cabe en este momento abrir un espacio para efectuar dos explicaciones. Los aislantes de Mott son materiales complejos que aparecen como aislantes eléctricos, pero que aún poseen una dinámica de espín, es decir, que se comportan como materiales magnéticos. Existe un gran interés en estos sistemas, pues en ellos es posible tener acceso por separado a la carga y a los espines de los electrones, lo que da origen a una física inusitada y rica, como la de los líquidos de espín. “En este trabajo, los electrones quedan como congelados en el espacio. De este modo, su masa y su carga no participan en la dinámica a bajas temperaturas. La única contribución proviene del espín”, ilustra Andrade.

La otra explicación se refiere al acoplamiento espín-órbita. Se trata de una manifestación de la relatividad restringida en sistemas atómicos y de materia condensada. Este efecto acopla el espín del electrón con su movimiento en el espacio tridimensional. “Esto es esencial para generar las interacciones magnéticas de Kitaev. Un requisito previo para la relevancia de esta noción es que el átomo magnético del sistema exhiba un número atómico bastante elevado. Por eso, los materiales de Kitaev generalmente tienen iridio [Ir] y rutenio [Ru]”, informa Andrade.

En este trabajo, el material enfocado fue un óxido de iridio, el H ₃LiIr₂O₆. Este aislante de Mott no exhibe orden magnético hasta los 50 milikélvines, lo que hace de él un prometedor candidato a líquido de espín de Kitaev.

“En nuestro trabajo, logramos explicar las contradicciones existentes entre las previsiones del modelo de Kitaev original y los resultados experimentales obtenidos con el H₃LiIr₂O₆. Mostramos que la presencia de una pequeña cantidad de vacancias ya es suficiente para explicar los datos experimentales. Las vacancias corresponden a la sustitución del ion magnético Ir por uno no magnético. Como el hidrógeno es un elemento muy liviano, es esperable que aparezcan esos defectos en el sistema durante el proceso de cristalización”, explica Andrade.

Y prosigue: “Aparte de proveer un escenario consistente de los experimentos en términos de un líquido de espín de Kitaev desordenado, nuestro trabajo aportó también un importante pronóstico: este material exhibiría una fase topológica en presencia de un campo magnético exterior. En este caso, la referida fase topológica se caracteriza por la presencia de fermiones de Majorana en el borde del sistema que cargan una corriente de energía cuantizada. Este resultado es impresionante si recordamos que estamos hablando de un aislante de Mott para el cual las cargas de los electrones se encuentran congeladas y, por ende, no pueden transportar corriente eléctrica”.

La existencia de fermiones de Majorana es algo que ha sido intensamente explorado. En un trabajo del año 1937, el físico italiano Ettore Majorana, considerado uno de los más grandes genios de la historia de la ciencia, que desapareció a los 31 años sin dejar vestigios, postuló la hipótesis de una partícula cuya antipartícula sería ella misma. Y sugirió que el neutrino podría ser esa partícula.

Las investigaciones actuales se enfocan no solamente en los neutrinos, sino también en cuasipartículas o partículas aparentes, constituidas por excitaciones en sistemas de materia condensada. Aparte del interés que suscitan en la física fundamental, esas partículas exóticas, denominadas genéricamente fermiones de Majorana, definen una importante frontera en el campo de la información y la computación cuántica, pues podrían utilizarse en la corrección de errores, por ejemplo. El trabajo al que aquí se alude constituye un nuevo aporte a su comprensión.

Este estudio contó con el apoyo de la FAPESP en el marco del proyecto intitulado “Magnetos frustrados: anisotropía e inhomogeneidades” .

Puede accederse a la lectura del artículo intitulado Disorder, low-energy excitations, and topology in the Kitaev spin liquid en el siguiente enlace: link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.129.037204.