Se observan las cuerdas de Bethe

Por Francisco R. Villatoro, el 23 marzo, 2018. Categoría(s): Ciencia • Física • Nature • Noticias • Physics • Science

Dibujo20180214 Quantum spin chain in SrCo2V2O8 psinon(anti)psinon pairs and strings nature25466-f1

Las propiedades magnéticas de un material se deben al espín de sus electrones. El modelo cuántico de las ondas del espín de los electrones en un material se describe mediante cuasipartículas de espín uno, llamadas magnones, y de espín un medio, llamadas espinones (Bloch, 1930). Los magnones pueden formar cadenas, llamadas cuerdas de Bethe (1931). Se publica en Nature la primera observación experimental de estas cuerdas de Bethe en SrCo2V2O8 bajo un campo magnético longitudinal; dicho material se modela como un sistema antiferromagnético unidimensional de tipo Heisenberg–Ising. Se han observado estados con dos y con tres cuerdas de Bethe mediante espectroscopia de terahercios.

La clave es el campo externo aplicado. Por debajo de un campo crítico (B < Bc) el material se encuentra en su estado fundamental de Néel, con todos sus espines alternos alineados de forma antiparalela (…↑↓↑↓↑↓↑↓…); este estado tiene un espín total nulo S=0 (para un número de espines N par) y sus cuasipartículas son espinones (espín 1/2). Por encima de otro campo crítico (B > Bs) el material se encuentra en su estado fundamental totalmente polarizado, con todos sus espines alineados de forma paralela (…↑↑↑↑…); este estado tiene un espín total S=N/2 (recuerda que el espín de un electrón es 1/2) y sus cuasipartículas son magnones (espín 1). En el régimen intermedio (Bc < B < Bs) se observan diferentes estados combinados de tipo cuasipartícula (tanto combinaciones de magnones como de espinones), destacando las cuerdas de Bethe; si se invierten r espines, el espín total será S=N/2−r.

La transición de fase cuántica observada podría tener aplicaciones futuras en el campo de la información cuántica basada en materiales magnéticos. Pero por ahora estas aplicaciones son muy lejanas. El artículo es Zhe Wang, Jianda Wu, …, Alois Loidl, “Experimental observation of Bethe strings,” Nature 554: 219–223 (08 Feb 2018), doi: 10.1038/nature25466arXiv:1706.04181 [cond-mat.str-el].

Dibujo20180214 schematics of patterns of Bethe quantum numbers nature25466-sf4

En el régimen intermedio para el campo magnético externo (Bc < B < Bs), los estados cuánticos del sistema de espines unidimensional se caracterizan mediante unos parámetros llamados rapideces (λj), que pueden ser números reales o complejos. Un estado se llama autoestado de Bethe real (espinón de tipo psinón o antipsinón) si todas sus rapicedes son reales, y autoestado de Bethe complejo (cadenas de magnones o cuerdas de Bethe) si alguna de sus rapideces es compleja.

El estado llamado psinón (ψ) tiene un rapidez positiva (…↑↓↑…) mientras el antipsinón (ψ*) la tiene negativa (…↓↑↓…). Se observan estados con n parejas psinón-psinón (n ψψ), como 1 ψψ = …↑↓↑↓↑…, con n parejas antipsinón-antipsinón (n ψ*ψ*), como 1 ψ*ψ* = …↑↓↑↓↑…,  con n parejas psinón-antipsinón (n ψψ*), por ejemplo 1 ψψ* = …↑↓↑↓↑… , etc. Las cuerdas de Bethe son estados con rapidez compleja (…↑↑↑↑ …) caracterizados por los llamados números cuánticos de Bethe {Ij}, con j  {1, …, r}, que toman valores enteros cuando es impar y valores semienteros cuando r es par.

Dibujo20180214 Magnetic excitations in the longitudinal-field Heisenberg–Ising chain SrCo2V2O8 nature25466-f4

Bethe (1931) predijo las cuerdas de Bethe en el modelo de Heisenberg unidimensional, pero estas cadenas multimagnónicas también se deben observar en materiales tridimensionales. Por primera vez se observan estas cuerdas de Bethe de forma experimental. Se ha usado espectroscopia de terahercios en un sistemas antiferromagnético unidimensional de Heisenberg–Ising, SrCo2V2O8 en un campo magnético longitudinal. Se ha observado una transición de fase cuántica para Bc = 4,0 T desde un estado con espinones confinados hacia un estado con múltiples interacciones multicuerpo, como 2-cuerdas, 3-cuerdas, pares psinón-psinón y pares psinón-antipsinón, que desaparecen hacia un estado con solo magnones para polarización completa por encima de Bs = 28,7 T. Como ilustra esta figura también se han observado magnones.

Por supuesto, toda nueva observación deberá ser confirmada de forma independiente. Aún así, el gran número de estados observados apunta a que la primera observación de las cuerdas de Bethe es firme. Habrá que estar al tanto de los progresos de estas investigaciones en materiales antiferromagnéticos.



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