Descubren una transición de fase cuántica en un sistema cuasi-2D constituido solamente por espines

Este estudio, realizado en el marco de una amplia colaboración internacional y publicado en un artículo en Nature, cuyo primer autor es un investigador de la Universidad de São Paulo, en Brasil, podrá tener aplicaciones en espintrónica y en computación cuántica

Por José Tadeu Arantes  |  Agência FAPESP – Los sistemas exclusivamente cuánticos pueden manifestar transiciones de fase análogas a la transición de fase clásica entre el estado líquido y el estado gaseoso del agua. Pero a nivel cuántico, los estados que emergen de esa transición exhiben un comportamiento colectivo y entrelazado de los espines de las partículas. Esta observación inesperada es propicia para el surgimiento de un nuevo camino hacia la producción de materiales con propiedades topológicas y aplicaciones en espintrónica y en computación cuántica.

Este descubrimiento se concretó en el marco de una amplia colaboración internacional cuyo primer autor es el profesor Julio Larrea, del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP), en Brasil. Y sus resultados salieron publicados en la revista Nature. La investigación contó con el apoyo de la FAPESP. 

“Obtuvimos la primera evidencia experimental de una transición de fase cuántica de primer orden en un sistema cuasibidimensional constituido únicamente por espines. Fue un trabajo pionero, tanto en su desarrollo experimental como en su interpretación teórica”, afirma el investigador.

Para entender su significado, es preciso pormenorizar un poco más qué es la transición de fase clásica, aquella que se concreta con el cambio de estado del agua, por ejemplo, y lo propio con su análoga cuántica, constituida por la denominada “transición de Mott”, entre el metal y el aislante.

“El cambio de estado del agua, que se produce a los 100 °C a presión ambiente, constituye lo que denominamos como ‘transición de primer orden’. Esta se caracteriza por un salto discontinuo en la densidad de las moléculas. En otras palabras, la cantidad de moléculas de agua por unidad de volumen varía drásticamente entre un estado y otro. Esta transición discontinua de primer orden evoluciona en función de la presión y de la temperatura hasta quedar por entero suprimida en el denominado punto crítico del agua, que ocurre a una temperatura de 374 °C y a una presión de 221 bares. En el punto crítico, la transición pasa a ser de segundo orden, es decir, continua”, informa Larrea.

Cerca de su punto crítico, las propiedades físicas del agua exhiben comportamientos anómalos, pues las fluctuaciones de la densidad se encuentran infinitamente correlacionadas con la escala de la longitud atómica. Esto hace que el material manifieste un estado único, muy distinto al del gas y también al del líquido (véase la figura 1).

Figura 1: Diagrama de fase del agua que muestra el comienzo de la transición de fase de primer orden y la coexistencia del estado líquido y el gaseoso a lo largo de la línea negra. Esta transición culmina en el punto crítico, apuntado con la estrella (figura elaborada por el investigador Julio Larrea, adaptada de una imagen publicada en la revista Nature)

“En la materia cuántica, la transición de Mott del aislante al metal constituye un raro ejemplo de transición de fase de primer orden. A diferencia de los aislantes y de los metales comunes, que se caracterizan por sus electrones libres, es decir, no interactuantes, un estado de Mott presenta una fuerte interacción de las cargas de los electrones que configura un comportamiento colectivo. Como las escalas de energía de esas interacciones son muy bajas, una transición de fase cuántica de primer orden entre el aislante y el metal puede ocurrir en el cero absoluto, que constituye el límite más bajo de temperatura. La interacción entre las cargas se modifica con la temperatura y la presión, hasta que queda suprimida en el punto crítico. Cerca del punto crítico, la densidad de carga eléctrica, es decir, la cantidad de carga por unidad de volumen, experimenta un cambio tan abrupto que puede inducir nuevos estados de la materia, como la superconductividad”, prosigue el investigador.

En los dos ejemplos mencionados, los fenómenos son protagonizados por partículas masivas, tanto moléculas de agua como electrones. La cuestión que los investigadores se plantearon es si el concepto de transición de fase podría extenderse también a los sistemas cuánticos sin masa, como en el caso de un sistema formado únicamente por espines (entendidos como una manifestación cuántica de la materia asociada a estados magnéticos), por ejemplo. Dicha situación no había sido observada aún.

“Utilizamos como material el antiferromagneto cuántico frustrado SrCu₂(BO₃)₂. Y medimos el calor específico de muestras pequeñas en condiciones simultáneamente extremas de temperatura [hasta 0,1 kelvin], de presión [hasta 27 kilobares] y de campo magnético [hasta 9 teslas]. El calor específico es una propiedad física que suministra una medida de la energía interna del sistema. Con base en él, podemos inferir distintos tipos de estados cuánticos, ordenados o desordenados, y posibles estados electrónicos o de espines entrelazados”, comenta Larrea.

El investigador afirma que estas mediciones, con la precisión necesaria como para revelar estados cuánticos correlacionados, realizadas con muestras sometidas a temperaturas extremadamente bajas y a presiones y campos magnéticos muy altos, constituyeron un enorme desafío experimental. Los experimentos se realizaron en el Laboratorio de Magnetismo Cuántico de la École Polytechnique Fédérale (LQM-EPFL), de Lausana, en Suiza, bajo el liderazgo del profesor Henrik Ronnow. Y la precisión de las mediciones motivó a los colaboradores teóricos encabezados por los profesores Frédéric Mila (EPFL) y Philippe Corboz (University of Amsterdam) a desarrollar métodos computacionales en el estado del arte para interpretar las distintas anomalías que se observaron.

“Nuestros resultados mostraron manifestaciones inesperadas en las transiciones de fase cuántica en sistemas puramente de espines. En primer lugar, observamos que una transición de fase cuántica sucede entre estados de espines entrelazados de tipos distintos: dímeros [espines correlacionados en dos sitios atómicos] y plaquetas [espines correlacionados en cuatro sitios atómicos]. Esta transición, de primer orden, termina en el punto crítico, a una temperatura de 3,3 kélvines y a una presión de 20 kilobares. Aunque los puntos críticos del agua y del sistema de espines SrCu₂(BO₃)₂ comparten características similares, los estados que emergen cerca del punto crítico del sistema con espines obedecen a una descripción de la física distinta, del tipo Ising”, relata Larrea. El término Ising hace referencia a un modelo de la mecánica estadística al que se le dio ese nombre en alusión al físico alemán Ernst Ising (1900-1998).

“También observamos que ese punto crítico exhibe una discontinuidad en la densidad de las partículas magnéticas, con tripletes o estados correlacionados en diferentes configuraciones de orientación de espines, que son responsables de la emergencia de un estado antiferromagnético puramente cuántico”, añade el investigador (véase la figura 2).

Figura 2: Diagrama de fase del sistema de espines SrCu₂(BO₃)₂ que muestra el comienzo de la transición de fase de primer orden en el cero absoluto. La transición de primer orden termina en el punto crítico, análogo al del diagrama del agua. Con todo, a diferencia de lo que sucede con el agua, en el sistema de espines emerge un nuevo estado ordenado, puramente cuántico y fuertemente correlacionado: el estado antiferromagnético (figura elaborada por el investigador Julio Larrea, adaptada de imagen publicada en la revista Nature)

Larrea remarca que el próximo paso consiste en profundizar la comprensión de la criticidad y de los estados de espines entrelazados que emergen en las cercanías del punto crítico, de la naturaleza de las transiciones de fase cuántica discontinuas y continuas, y de las escalas de energía que representan a las interacciones y a las correlaciones entre los espines y las cargas de los electrones para la formación de estados cuánticos como la superconductividad. “Para ello llevaremos adelante un estudio tanto con presiones situadas alrededor del punto crítico como con presiones más altas”, afirma. Y con esa intención se está erigiendo un nuevo laboratorio: el Laboratory for Quantum Matter under Extreme Conditions (LQMEC), en colaboración con la profesora Valentina Martelli, en el Departamento de Física Experimental (FEP) del IF-USP.

Puede leerse el artículo intitulado A quantum magnetic analogue to the critical point of water puede en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/s41586-021-03411-8.