Detectan un nuevo estado de la materia predicho hace 40 años

Un equipo internacional de investigadores ha encontrado evidencias de un nuevo estado de la materia, predicho por primera vez hace 40 años. Este estado, conocido como espín líquido cuántico, causa que los electrones, considerados los bloques indivisibles con los que construye la naturaleza, se rompan en pedazos.

Los investigadores midieron las primeras señales de estos fragmentos de partículas, conocidas como fermiones de Majorana, en un material de dos dimensiones con una estructura similar a la del grafeno. Sus resultados experimentales encajaban con uno de los principales modelos teóricos para el espín líquido cuántico, conocido como el modelo Kitaev. Los resultados se publican este lunes en la revista Nature Materials.

El espín líquido cuántico es un misterioso estado de la materia que se cree que se esconde en ciertos materiales magnéticos, pero que hasta ahora no se ha podido observar de forma concluyente en la naturaleza. La observación de una de sus propiedades más intrigantes, la división de electrones, es un gran avance. Los fermiones de Majorana resultantes pueden utilizarse como piezas en ordenadores cuánticos, que serán mucho más rápidos que los ordenadores convencionales y podrán realizar cálculos que son imposibles por otros métodos.

El espín líquido cuántico es un estado de la materia que se esconde en materiales magnéticos, pero que hasta ahora no se ha podido observar en la naturaleza

"Este es un nuevo estado cuántico de la materia, que había sido previsto pero no observado hasta ahora", explica Johannes Knolle, del Laboratorio Cavendish de Cambridge, coautor del estudio.

"No sabíamos qué aspecto tendría"

En un material magnético típico, los electrones se comportan como pequeños imanes, y cuando un material se enfría a temperaturas lo suficientemente bajas, los 'imanes' se colocan de forma que todos los polos positivos apuntan en la misma dirección. Pero en un material que contiene el estado espín líquido cuántico, incluso cuando se enfría hasta el cero absoluto, los 'imanes' no se alinean sino que forman una maraña, a causa de las fluctuaciones cuánticas.

"Hasta hace poco, ni siquiera sabíamos qué aspecto tendrían las huellas experimentales del espín líquido cuántico", explica el otro autor, Dimitri Kovrizhin, también miembro del grupo de Teoría de la Materia Condensada del Laboratorio Cavendish. "Era algo que nos preguntábamos en trabajos previos: ¿Si experimentase con un espín líquido cuántico, qué vería?".

Era algo que nos preguntábamos en trabajos previos: ¿Si experimentase con un espín líquido cuántico, qué vería?

Ambos coautores, liderados por el Laboratorio Nacional Oak Ridge, utilizaron técnicas de dispersión de neutrones para buscar evidencias experimentales de división de esas partículas en cristales de cloruro de rutenio, y pusieron a prueba sus propiedades magnéticas iluminando esos cristales con neutrones y observando el patrón de 'arrugas' que se veía en la pantalla, proporcionando por primera vez evidencias de un espín líquido cuántico y de la división de elecctrones en un material bidimensional.

"Esta es una nueva aportación a una corta lista de estados cuánticos de la materia conocidos hasta ahora", dice Knolle. "Es un paso importante para entender el estado cuántico de la materia, y es divertido ver otro estado que no habíamos visto nunca antes: nos da la posibilidad de probar cosas nuevas".