Los científicos observaron por primera vez que el espín se cuadruplica directamente

SciTechDaily

Materiales de computación cuántica

Investigadores surcoreanos han hecho un descubrimiento fundamental al observar directamente los cuadrupolos de espín en la fase nemática de espín utilizando técnicas ópticas y de rayos X avanzadas. Este avance en el estudio del Sr2IrO4 abre nuevas posibilidades en la computación cuántica y la investigación de la superconductividad de alta temperatura.

La «fase espín-nemática», un análogo magnético de los cristales líquidos, se observa por primera vez en un sistema de espín cuántico.

Los cristales líquidos representan un estado único de la materia, que combina las propiedades del líquido y del sólido. Tiene la capacidad de fluir como un líquido, pero sus moléculas mantienen una disposición similar a la que se encuentra en los sólidos. El cristal líquido se utiliza mucho hoy en día, por ejemplo, como elemento principal de los dispositivos LCD. El análogo magnético de este tipo de material se denomina «fase de espín-nemática», donde los momentos de espín desempeñan el papel de las moléculas.

Pero a pesar de las predicciones de hace medio siglo, todavía no se ha observado directamente. El principal desafío surge del hecho de que la mayoría de las técnicas experimentales convencionales son insensibles círculos giratoriosque son las características definitorias de esta fase spin-nemática.

Éxito en la observación de fases spin-nemáticas.

Pero ahora, por primera vez en el mundo, un equipo de investigadores dirigido por el profesor Kim Bomjoon en el Centro IBS de Sistemas Electrónicos Artificiales de Bajas Dimensiones en Corea del Sur ha logrado observar directamente los cuadrados de espín. Este trabajo ha sido posible gracias a logros notables en el desarrollo de instalaciones de sincrotrón en las últimas décadas.

Gira una vez y media sobre la celosía cuadrada.

Enrollar sobre una rejilla cuadrada durante medio minuto. Además del orden antiferromagnético clásico (AF clásico), los momentos de espín pueden tener diferentes estados magnéticos fundamentales, como la superposición de órdenes de espín-singlete (enlace de valencia resonante; RVB) o antiferroimanes con grandes fluctuaciones cuánticas (AF cuántico). En el óxido de iridio Sr2IrO4, los momentos cuadripolares de espín coexisten con un orden antiferromagnético enrollado. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Los investigadores del IBS centraron su estudio en el óxido de iridio Sr2IrO4, de red cuadrada, un material previamente conocido por su orden dipolar antiferromagnético a bajas temperaturas. Este estudio ha descubierto recientemente la coexistencia de un espín de cuarto orden polar, que se observa mediante interferencia con el orden magnético. Esta señal de interferencia se detectó mediante «difracción de rayos X por resonancia dicroica circular», una técnica avanzada de rayos X que utiliza un haz de rayos X polarizado circularmente.

Tecnología avanzada y colaboración

Este descubrimiento fue confirmado además por la «dispersión inelástica de rayos X resonante resuelta por polarización», donde se demostró que las excitaciones magnéticas se desvían significativamente de su comportamiento esperado.

Interferencia dipolo cuadrupolo en difracción de rayos X resonante dicroica circular

Interferencia dipolo-condropolo en difracción de rayos X resonante dicroica circular. (a) Los cuartos momentos de espín se forman a temperaturas más altas (263 K) que los momentos magnéticos (230 K). (b, c) A bajas temperaturas, la interacción entre los cuaterniones de espín y los momentos magnéticos se revela mediante la difracción de rayos X resonante dicroica circular, una diferencia de señal magnética entre los haces de rayos X izquierdo y derecho. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

Imanes convencionales. Para complementar estos experimentos, investigadores surcoreanos han colaborado con el Laboratorio Nacional Argonne en los Estados Unidos para construir una línea de luz de dispersión de rayos X inelástica y resonante en el Laboratorio del Acelerador de Pohang durante los últimos cuatro años.

Por último, pero no menos importante, los investigadores utilizaron una serie de técnicas ópticas, incluida la espectroscopia Raman y mediciones magnetoópticas del efecto Kerr, para demostrar que la formación de momentos cuadráticos de espín ocurre a temperaturas más altas que el orden magnético. Dentro de este rango de temperatura, el óxido de iridio solo tiene momentos cuadrupolares de espín pero ningún orden magnético, lo que genera una fase nemática de espín.

En conjunto, esta es la primera observación directa de los cuartos momentos de espín en fases neméticas de espín.

Espectrómetro de dispersión de rayos X inelásticos

(a, b) Dibujos (a) y fotografía (b) del espectrómetro de dispersión de rayos X inelástico resonante instalado en la línea de luz 1C de PLS-II. Crédito: Instituto de Ciencias Básicas

«Esta investigación fue posible porque la infraestructura y las capacidades de los experimentos de rayos X en Corea del Sur habían alcanzado un nivel globalmente competitivo», afirma el profesor Kim Bumjoon, autor correspondiente del estudio.

«El descubrimiento de las fases spin-nemáticas también tuvo implicaciones importantes

computación cuántica
Realizar cálculos utilizando fenómenos mecánico-cuánticos como superposición y entrelazamiento.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Computación cuántica y tecnologías de la información”, añade el profesor Cho Gil-young, coautor del estudio y profesor de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pohang.

Otro aspecto interesante de la fase espín-nemática es su potencial para la superconductividad a alta temperatura. En la fase nemática de espín, los espines están muy entrelazados, lo que fue propuesto por el físico PW Anderson como el ingrediente clave para la superconductividad a alta temperatura. Además, dado que el óxido de iridio Sr2IRO4 ha sido ampliamente estudiado debido a su sorprendente similitud con los sistemas superconductores de alta temperatura de óxido de cobre, lo que ha impulsado el creciente interés en este material como un potencial nuevo sistema superconductor de alta temperatura. Además, pertenece a la fase espín-nemática.

Cita: «Fase neumática de giro cuántico en irradiación de red cuadrada» Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, Jun Yong Kwon, Jimin Kim, Hyun-Woo J. Kim. Stremfer, J. Fabrice, Y. Choi, D. Haskell, Jong-Kim, J. w. Kim y BJ Kim, 13 de diciembre de 2023, naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4

El estudio fue financiado por el Instituto de Ciencias Básicas.

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