Observada la ruptura de la simetría temporal en un líquido de espín quiral gracias al efecto Hall anómalo

Por Francisco R. Villatoro, el 10 diciembre, 2009. Categoría(s): Ciencia ✎ 17

El magnetismo de un imán es debido a los momentos magnéticos libres (espines) de los átomos que lo constituyen. En un material paramagnético, al aplicar un campo magnético, estos espines se alinean paralelamente al campo, en otro caso están orientados al azar. Un imán permanente es un material ferromagnético en el que el acoplamiento entre los espines es suficientemente fuerte para mantener su alineamiento. Muchos materiales paramagnéticos dejan de serlo a muy baja temperatura debido a una ruptura espontánea de la isotropía (simetría continua de rotación) en su estado fundamental. Un paramagneto cuántico es un material que mantiene su paramagnetismo a temperaturas muy bajas.

Un líquido de espín es un paramagneto cuántico a temperatura nula, capaz de resistir las fluctuaciones cuánticas (como la frustación de la topología de la red cristalina) que evitan el establecimiento de un orden magnético en el límite de temperatura nula. Un líquido de espín quiral es un líquido de espín exótico en el que debido a la frustación se rompe alguna simetría discreta, como la inversión temporal o la paridad. Machida et al. han observado la ruptura de la simetría de inversión temporal en un líquido de espín quiral. La simetría T corresponde a cambiar la dirección del tiempo. Esta simetría está rota en la teoría electrodébil de la física de partículas elementales gracias a una transición de fase de primera especie. También está rota en la segunda ley de la termodinámica, pero como transición de fase de segunda especie. Machida et al. han observado macroscópicamente la ruptura de la simetría T en un líquido de espín gracias a la aparición espontánea del efecto Hall anómalo en un imán metálico frustado, Pr2Ir2O7. Un gran resultado experimental publicado en el artículo técnico de Yo Machida, Satoru Nakatsuji, Shigeki Onoda, Takashi Tayama, Toshiro Sakakibara, «Time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect without magnetic dipole order,» Nature, advance online publication, 9 December 2009.

PS (12 diciembre 2009): Una explicación para legos. El magnetismo de un material proviene de que sus átomos o moléculas se comportan como  pequeños imanes. Ello es debido a que los electrones se comportan como pequeños imanes, tienen espín (los protones y neutrones del núcleo también). El espín es una propiedad cuántica relativista que no existe en física clásica y tratar de explicarlo me llevaría demasiado lejos. El magnetismo macroscópico tiene su origen en el magnetismo electrónico (de los electrones) con una contribución despreciable del magnetismo nuclear (de los protones y neutrones).

En un material sólido, una red cristalina, los pequeños imanes atómicos interactúan entre ellos mediante fuerzas magnéticas, que dependen de si un par de ellos apunta en la misma dirección (son paralelos) o en direcciones opuestas (son antiparalelos). La aplicación de un campo magnético externo genera una fuerza sobre todos los pequeños imanes, logrando que se reorienten como pequeñas brújulas. Cuando el campo magnético desaparece los pequeños imanes se reorientan buscando una configuración cuya energía sea mínima, que minimiza la energía de interacción entre los pequeños imanes. Las posibles configuraciones de energía mínima dependen de las propiedades (magnéticas) del material sólido considerado. Estas configuraciones son más «visibles» cuando el material es enfriado muy cerca del cero absoluto, ya que así se minimizan el efecto aleatorio de las vibraciones térmicas de la red cristalina.

El magnetismo de los pequeños imanes vecinos entre sí se suma resultando en un imán equivalente que interactúa con otros imanes equivalentes de otras configuraciones de vecinos. En la figura de arriba tenéis configuraciones de vecinos en triángulo, con espines en los vértices de Si, Sj, y Sk y espín total igual a κijk, y configuraciones en hexágono, equivalente a la suma de 3 triángulos. En ciertas redes cristalinas, debido a la geometría espacial de sus átomos o moléculas, las energías de interacción entre los pequeños imanes vecinos no pueden ser todas mínimas a la vez, y lo que se minimiza es la energía entre configuraciones de vecinos. Decimos que este material está «frustrado.» Esta correlación a gran distancia (mayor que la que separa imanes vecinos) entre grupos de vecinos es similar a la correlación entre moléculas de un sólido o de un líquido. Por ello, estos materiales «frustrados» se comportan termodinámicamente como sólidos magnéticos llamados «hielos de espín» o como líquidos magnéticos llamados «líquidos de espín.»

La frustración provoca que en el estado de mínima energía un grupo de espines vecinos pueda estar en múltiples configuraciones posibles compatibles con las configuraciones de otros grupos de vecinos a su alrededor. En los líquidos de espín estas configuraciones de vecinos permiten cierta «movilidad» similar a la de las moléculas que no están fijas a la red cristalina en un líquido convencional.

Los líquidos de espín cuánticos son materiales que a muy baja temperatura muestran propiedades magnéticas discretas, no continuas, o sea, cuantizadas. El estado de mínima energía (a temperatura T=0) de este material presenta un espín total nulo (S=0) y el siguiente estado de mínima energía, con un espín total igual a la unidad (S=1), se encuentra separado por un salto (bandgap) de energía. También hay líquidos de espín en los que el primer estado de energía presenta un espín total igual a un medio (S=1/2). Estos sistemas macroscópicos se han de describir mediante una función de onda cuántica Ψ(x,t). En general, esta función de onda cuántica es invariante ante simetrías de reflexión especular, Ψ(x,t)=Ψ(-x,t), es decir, la simetría P indica que el líquido de espín visto en un espejo tiene el mismo espín total en su primer estado cuántico. También, esta función de onda cuántica es invariante ante simetrías de reflexión temporal,  Ψ(x,t)=Ψ(x,-t), es decir, la simetría T significa que la función de onda no cambia cuando todo movimiento «rotatorio» en cierto sentido invierte su sentido (recuerda que la imagen clásica del espín son movimientos rotatorios intrínsecos). Lo habitual es que un líquido cuántico sea invariante a simetrías P, T y PT.

Hay materiales en los que las interacciones entre los electrones de sus átomos o moléculas son tan fuertes que se comportan como si formaran partículas «efectivas» (cuasipartículas) de espín fraccionario (diferente de 1/2 y 1, por ejemplo 3/4). Esto ocurre en los materiales que presentan efecto Hall cuántico fraccionario. Al estar formados estos materiales por cuasipartículas de espín fraccionario, sus funciones de onda cumplen con la simetría PT, Ψ(x,t)=Ψ(-x,-t), pero no están obligados a cumplir con las simetrías P o T individualmente. Cuando un material de este tipo se comporta como líquido de espines cuántico hablamos de un líquido de espín cuántico quiral. En estos materiales se puede observar la ruptura de las simetrías P o T experimentalmente. Eso es lo que se ha logrado por primera vez en el artículo de Nature objeto de esta noticia, observar un líquido de espín cuántico quiral en el que se cumple que su función de onda macroscópica cumple que Ψ(x,t)≠Ψ(x,-t).

 Los estudiantes de física o ingeniería que tengan acceso a las revistas de IOP disfrutarán con el artículo de Frédéric Mila, «Quantum spin liquids,» Eur. J. Phys. 21: 499-510, 2000. Los que tengan acceso a Science disfrutarán del reciente review de Patrick A. Lee, «An End to the Drought of Quantum Spin Liquids,» Science 321: 1306-1307, 5 September 2008. Los que tengan que recurrir a ArXiv, tienen una buena presentación de las propiedades de los líquidos de espines en sistemas unidimensionales en P. Lecheminant, «One-Dimensional Quantum Spin Liquids,» ArXiv, y en sistemas 2D y 3D en Gregoire Misguich, «Quantum spin liquids,» ArXiv.



17 Comentarios

  1. Que casualidad, el otro dia me encontre en el ascensor con mi vecino y estuvimos debatiendo sobre este mismo tema. Nos parecio fascinante el mundo de los espines quirales y sus asimetrias temporales.

  2. A los comentarios de gente que creéis que esto no es avance:

    IG-NO-RAN-TES.

    A los comentarios de gente que no os enteráis de nada:

    El conocimiento es gratuito, si lees algo que te hace preguntarte qué es, busca e infórmate, lo único que haras es GANAR conocimiento. Si no te interesa, pasa y vete a ver el fútbol.

  3. No entiendo una mierda, desgraciadamente, pero alcanzo a comprender que es un avance importante. Desconozco mucho sobre la física cuántica, pues hay que estudiar bastante para llegar a entender de qué va (ya no digo entenderla completamente, por que dudo que haya alguien en este mundo que la entienda realmente), aunque me fascinan todos los avances que se están haciendo en los últimos años sobre la materia.

    Para el autor del texto: Ya que sales en Menéame, intentaría hacer debajo un resumen en «cristiano» para los profanos en la materia.
    Para el primer comentarista: Ignorante. Ya no por que no entiendas el texto, como muchos otros, sino por que con tu comentario lo único que demuestras es que además de ignorante, no te importa una mierda de qué vaya, tan sólo hacer el comentario gracioso. No sería grave si realmente fuera gracioso. Pero no tiene gracia.

    Saludos.

  4. OBSERVAD LA SIMETRIA CINETICA:

    En el fùtbol hay mucha simetrìa espacial y cinètica pero es muy ràpida… Serà mejor que les comente que tuve que romper una simetrìa de «ascensores» y no logrè hacerlo, es decir, la simetrìa espacial y cinètica, se me impuso… Como uno de los ascensores no venìa, llamè al segundo… Y aparecieron los dos ascensores, vacìos, que abrieron sus puertas al mismo momento… No sabìa a cual subir, por lo cual, mientras dudaba si tomar el ascensor de la derecha o el de la izquierda, ambas puertas volvieron a cerrarse y me quedè otra vez parado, en el pasillo… Viviendo como nunca esa «simetrìa cinètica y temporal»…

  5. Aunque me considero bastante conocedor en la medida de lo posible de los estudios y conocimientos en física cuantica por mi formaciçón de varios años de estudios de física en ingeniería, todavía hay unos cuantos conceptos que me cuesta asimilar su utilidad; en cualquier caso estoy seguro que cada nuevo descubrimiento en este campo abre muchas posibilidades de estudio y aplicación.

    Enhorabuena por este gran blog de divulgación

    Salu2

    Juan

  6. No hagas ni caso. Es lamentable que no sepan respetar a la gente que divulga la ciencia.

    Lo peor ya no es que no entiendan que el nivel de la divulgación no tiene por qué ser niños de 4 años. Sino que desprecian todo aquello que cueste un ligero esfuerzo y encima, te recriminan por no darlo todo mascadito.

    Lo mejor es pasar de todo y hacer como quien llover.

    Si esto fuera fácil, lo publicarían en fascículos coleccionables.

    1. Gracias, MiGUi. Aún así he añadido un comentario final a la entrada algo más divulgativo pensando en que pueda facilitar su comprensión a algunos lectores…

  7. Vale, no es que esté con los que hacen los comentarios esos, pero… soy más de biologicas, pero me interesa el tema… no podría alguien hacer un resumen que sea más aún para «muy muy legos´´????.
    Por cierto, y qué aplicaciones se le podría encontrar a esto???

    1. Las aplicaciones… siempre las aplicaciones… Los teóricos piensan algo «casi» imposible… los experimentales logran lo «imposible»… y la pregunta siempre es la misma… ¿y para qué sirve? Muchas veces es muy difícil saber hasta dónde llegará el ingenio de los ingenieros, hasta dónde llegarán las aplicaciones de los descubrimientos en ciencia básica.

      Una apuesta. Quizás arriesgada. Pero una apuesta como cualquier otra. Los frigoríficos (las neveras) se basan en gases refrigerantes que son un problema ecológico de mayor orden. Los líquidos de espines cuánticos presentan efectos magnetotérmicos que podrían ser utilizados para lograr la refrigeración mediante campos magnéticos. Sin necesidad de gases de efecto invernadero. Una alternativa ecológica a un problema práctico que todos tenemos en nuestra cocina (en el primer mundo): cómo refrigerar nuestros alimentos utilizando la electricidad que llega hasta los enchufes de nuestras casas. Es una apuesta… el ingenio es cosa de ingenieros…

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