El tiempo nos ha enseñado que los estados de la materia que conocemos desde la secundaria (sólido, líquido, gas y plasma) son sólo la punta del iceberg. En las profundidades de la física cuántica y de los materiales magnéticos se encuentran fases exóticas que podrían revolucionar las tecnologías del futuro. Este es el caso del reciente descubrimiento realizado por los físicos Weiguo Yin e Alexei Tsvelik del Laboratorio Nacional Brookhaven, quien identificó una nueva fase en un ferrimagneto unidimensional: un estado llamado “mitad hielo, mitad fuego”.
Esta extraordinaria configuración consiste en un patrón de espines electrónicos en los que coexisten estados altamente ordenados (frío como el hielo) y altamente desordenado (caliente como el fuego). La historia de este descubrimiento, publicado en la prestigiosa revista Physical Review Letters, tiene sus raíces en más de una década de investigación y representa una pieza fundamental en la comprensión de los materiales magnéticos.
Un pequeño paso atrás: qué es un ferrimagnet en pocas (y ojalá sencillas) palabras.
Imagínese un equipo de tira y afloja en el que cinco personas tiran de un lado y tres del otro. La cuerda se moverá hacia el lado con más gente, pero todavía habrá tensión en ambos lados. El ferrimagnet es como esa cuerda, tiene un magnetismo “neto” aunque las fuerzas magnéticas internas se “contrarrestan” un poco entre sí.
En resumen: una ferrimagnet Es un material que a nivel microscópico tiene átomos con momentos magnéticos alineados en direcciones opuestas, ma Los momentos en una dirección son más fuertes que en la otra.
Un viaje que comenzó hace diez años
El descubrimiento de esta nueva fase de la materia no surgió de la nada. El viaje comenzó en 2012, cuando Yin y Tsvelik formaron parte de una colaboración multiinstitucional liderada por el físico John Hill del Laboratorio de Brookhaven. El grupo estaba estudiando un compuesto magnético llamado Sr3CuIrO6 (un material a base de estroncio, cobre, iridio y oxígeno). Ese trabajo también condujo a dos publicaciones en Physical Review Letters, una impulsada experimentalmente en 2012 y otra centrada en la teoría en 2013.
Sin embargo, a pesar de la extensa investigación, todavía faltaba algo. Como señala Tsvelik,
“Incluso después de nuestra extensa investigación, aún no sabíamos cómo se podría utilizar este estado”.
Se sabía desde hacía un siglo que el modelo matemático de Ising, que produjo el estado “mitad fuego, mitad hielo”, no tenía en cuenta las transiciones de fase de temperatura finita. Faltaban piezas claves del rompecabezas.
Yin identificó recientemente una pista para las piezas faltantes. En dos publicaciones, demostró que la transición de fase “prohibida” podía abordarse mediante un fenómeno de cruce ultraestrecho a una temperatura finita fija.
¿En palabras aún más sencillas? Yin descubrió que incluso si una transformación parece imposible, se puede “engañar” al sistema para que ocurra de una manera muy específica y controlada, a una temperatura determinada. Es como encontrar un pasaje secreto del punto A al punto B, incluso si la ruta directa está bloqueada.
Cuando el hielo y el fuego cambian de lugar
En su investigación actual, Yin y Tsvelik descubrieron que “mitad fuego, mitad hielo” tiene un estado opuesto oculto en el que los espines caliente y frío intercambian posiciones. En otras palabras, los espines calientes se vuelven fríos y los espines fríos se vuelven calientes.
El modelo revela que la transición entre fases ocurre en un rango de temperatura extremadamente estrecho, y los investigadores ya han sugerido posibles aplicaciones futuras. Por ejemplo, este fenómeno de conmutación ultraprecisa con un cambio gigantesco en la entropía magnética podría ser útil para las tecnologías de refrigeración. Además, podría constituir la base para un nuevo tipo de tecnología de almacenamiento de información cuántica en la que las fases actúan como bits.
Ferrimagnet y la fase “mitad hielo, mitad fuego”: implicaciones y perspectivas futuras
El descubrimiento de esta nueva fase de la materia es significativo. No sólo porque nunca se había observado antes, sino también porque es capaz de provocar un cambio de fase extremadamente rápido en el material a una temperatura finita y razonable.
“Encontrar nuevos estados con propiedades físicas exóticas y poder comprender y controlar las transiciones entre esos estados son problemas centrales en los campos de la física de la materia condensada y la ciencia de los materiales”, afirmó Yin.
“Resolver estos problemas podría conducir a importantes avances en tecnologías como la computación cuántica y la espintrónica”.
Tsvelik agregó:
“Sugerimos que nuestros hallazgos podrían abrir una nueva puerta para comprender y controlar las fases y las transiciones de fase en ciertos materiales”.
El próximo paso para los investigadores será explorar el fenómeno del “fuego-hielo” en sistemas con espines cuánticos y grados de libertad adicionales de red, carga y órbita. Como él dijo Yin“La puerta a nuevas posibilidades está ahora abierta de par en par”.
Lo que me sorprende es cómo este descubrimiento representa el ejemplo perfecto de lo sorprendente e impredecible que puede ser la investigación fundamental. Lo que comenzó como el estudio de un modelo unidimensional simple ha revelado una fenómeno físico completamente nuevo, con aplicaciones potenciales que van desde las tecnologías energéticas hasta la computación cuántica.
A veces, es precisamente en los sistemas más simples donde se esconden las complejidades más fascinantes de la naturaleza.
