Nuevo candidato a líquido de espín cuántico bidimensional

Un líquido de espín cuántico es un sistema de espines cuyas orientaciones fluctúan incluso en el cero absoluto de temperatura. Propuesto por Phil Anderson en 1973, en la última década hemos leído muchas veces la noticia de su descubrimiento experimental. Por ahora todos son solo candidatos. El último aparece ahora en Nature Physics, en las capas planas de terbio con geometría triangular en el TbInO3, un óxido metálico con estructura de perovskita que es antiferromagnético. Parece que estas capas bidimensionales de terbio se comportan a muy baja temperatura como un líquido de espín cuántico; pero asegurarlo es muy difícil pues la observación es indirecta. Hay otro artículo que ratifica la hipótesis, pero hay que ser muy cautos con estos anuncios.

Los líquidos de espines cuánticos presentan estados tipo fermión de Majorana y de tipo anión no abeliano, no observados aún. Si se confirmase que el TbInO3 los presenta se iniciaría toda una revolución en los ordenadores cuánticos, gracias a la robustez de la computación cuántica topológica. Por ello no tardarán en aparecer análisis críticos del descubrimiento que nos ayudarán a entender su alcance. Hasta ahora casi todas las noticias se basan en la nota de prensa de la universidad de la primera autora, Lucy Clark. En ella se destaca que ha pillado por sorpresa a muchos que en el interior del TbInO3 se aloje un líquido de espín cuántico bidimensional. Sin embargo, la propia Clark ha dicho en varias ocasiones que lleva un lustro estudiando este material para entender dicho comportamiento. No soy experto en el área, pero los resultados que aparecen en el artículo me parecen convincentes, aunque seguro que se me escapan muchas sutilezas.

El artículo es Lucy Clark, Gabriele Sala, …, Bruce D. Gaulin, «Two-dimensional spin liquid behaviour in the triangular-honeycomb antiferromagnet TbInO3,» Nature Physics (21 Jan 2019), doi: 10.1038/s41567-018-0407-2arXiv:1806.08215 [cond-mat.str-el]; recomiendo la charla youtube de Clark en HFM2018. La mayor parte de los medios se han hecho eco de la nota de prensa «Scientists discover new quantum spin liquid,» Univ. Liverpool, 21 Jan 2019. El artículo que critica el análisis, aunque no descarta que se trate de un líquido de espín cuántico por otras razones, es M. G. Kim, B. Winn, …, V. Kiryukhin, «Spin-Liquid-Like State in the Triangular Lattice Antiferromagnet TbInO3,» arXiv:1812.01121 [cond-mat.str-el].

El líquido de espín cuántico es un nuevo estado (o una nueva fase) de la materia. Se trata de un estado aislante (no conductor) y paramagnético (no magnético) de un sistema de electrones en interacción fuerte en un sólido; este estado es cuántico, ya que los espines (momentos magnéticos) están fuertemente entrelazados entre sí (luego es un estado sin análogo clásico). En tres dimensiones se han propuesto estados de tipo espín líquido cuántico en los materiales que tienen la estructura cristalina del pirocloro (Fd-3m). La estructura piroclórica está formada por tetraedros que comparten algunos de sus vértices. En el antiferromagneto TbInO3 se observan tetraedros de InO3 (no magnéticos) que separan planos de iones Tb3+ (magnéticos) con una estructura triangular distorsionada; los iones de Tb3+ se sitúan en dos subredes no equivalentes, denominándose Tb1 y Tb2 (véase la figura).

Clark y sus colegas han usado varios instrumentos para explorar el magnetismo en los planos de terbio a baja temperatura. Destaca el espectrómetro SEQUOIA para neutrones inelásticos instalado en el SNS (Spallation Neutron Source) del Laboratorio Nacional Oak Ridge (Tennessee, EEUU); allí se han estudiado neutrones con una energía de 8, 11, 60 y 120 meV que han incidido sobre muestras enfriadas entre 1.7 K y 300 K (cada medida requería unas 2 horas). También se han usado otros instrumentos, como magnetómetros SQUID para medir la susceptibilidad magnética. Los resultados indican que el TbInO3 a muy baja temperatura adopta una estructura hexagonal P63cm que contiene una red triangular de iones Tb3+ muy distorsionada. Los iones tipo Tb1 parecen encontrarse en un estado fundamental no magnético de tipo singlete. Se interpreta esta observación como resultado del estado tipo líquido de espín cuántico.

Un resultado similar se muestra en el artículo de Min Gyu Kim (Univ. Rutgers, New Jersey, EEUU) y sus colegas. Se han comparado las mismas medidas para TbInO3 sin dopar y dopado con manganeso (TbIn0.95Mn0.05O3). Para temperaturas de 0.1 K (100 mK) se observan resultados similares a los de Clark y sus colegas en el TbInO3 que apuntan a un líquido de espín cuántico, pero no se observan en el TbIn0.95Mn0.05O3. Sin embargo, ambos artículos difieren en los detalles de interpretación de las medidas. Futuros estudios serán necesarias para discernir qué interpretación es la más apropiada. Así como para verificar que la conclusión de ambos grupos de investigación es correcta.

En resumen, el hito esperado, la observación directa de estados de Majorana en un líquido de espín cuántico, aún no se ha logrado. Seleccionar los materiales adecuados y en qué condiciones se espera lograr es importante. Sin embargo, mientras tanto solo podemos hablar de candidatos aún por confirmar. Habrá que estar al tanto de los avances en esta línea de investigación.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 29 enero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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