Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía utilizaron la dispersión de neutrones para determinar si la estructura atómica de un material específico podría albergar un nuevo estado de la materia llamado líquido de espín espiral. Al rastrear pequeños momentos magnéticos conocidos como «giros» en la red de panal de un imán de tricloruro de hierro en capas, el equipo encontró el primer sistema 2D que alberga un líquido de giro en espiral.
El descubrimiento proporciona un banco de pruebas para futuros estudios de fenómenos físicos que pueden impulsar las tecnologías de la información de próxima generación. Estos incluyen fracciones, o vibraciones cuantificadas colectivas que pueden resultar prometedoras en la computación cuántica, y skyrmions, o nuevas texturas de espín magnético que podrían avanzar en el almacenamiento de datos de alta densidad.
«Los materiales que albergan líquidos de espín en espiral son particularmente emocionantes debido a su potencial para generar líquidos de espín cuántico, texturas de espín y excitaciones de fractones», dijo Shang Gao de ORNL, quien dirigió el estudio publicado en Cartas de revisión física.
Una teoría de larga data predijo que la red de panal puede albergar un líquido de giro en espiral, una nueva fase de la materia en la que los giros forman estructuras fluctuantes similares a sacacorchos.
Sin embargo, hasta el presente estudio, faltaba evidencia experimental de esta fase en un sistema 2D. Un sistema 2D comprende un material cristalino en capas en el que las interacciones son más fuertes en la dirección plana que en la dirección de apilamiento.
Gao identificó el tricloruro de hierro como una plataforma prometedora para probar la teoría, que se propuso hace más de una década. Él y el coautor Andrew Christianson de ORNL se acercaron a Michael McGuire, también de ORNL, quien ha trabajado extensamente en el cultivo y estudio de materiales 2D, y le preguntaron si sintetizaría y caracterizaría una muestra de tricloruro de hierro para mediciones de difracción de neutrones. Al igual que las capas de grafeno 2D existen en el grafito a granel como redes de panal de carbono puro, las capas de hierro 2D existen en el tricloruro de hierro a granel como capas de panal 2D. «Informes anteriores insinuaron que este interesante material de panal podría mostrar un comportamiento magnético complejo a bajas temperaturas», dijo McGuire.
«Cada capa de panal de hierro tiene átomos de cloro por encima y por debajo, formando losas de cloro-hierro-cloro», dijo McGuire. «Los átomos de cloro en la parte superior de una losa interactúan muy débilmente con los átomos de cloro en la parte inferior de la siguiente losa a través de la unión de van der Waals. Esta unión débil hace que materiales como este se despeguen fácilmente en capas muy delgadas, a menudo hasta una sola losa Esto es útil para desarrollar dispositivos y comprender la evolución de la física cuántica de tres dimensiones a dos dimensiones».
En los materiales cuánticos, los espines de los electrones pueden comportarse de forma colectiva y exótica. Si un giro se mueve, todos reaccionan, un estado entrelazado que Einstein llamó «acción espeluznante a distancia». El sistema permanece en un estado de frustración, un líquido que preserva el desorden porque los electrones giran constantemente cambiando de dirección, obligando a otros electrones enredados a fluctuar en respuesta.
Los primeros estudios de difracción de neutrones de cristales de cloruro férrico se realizaron en ORNL hace 60 años. Hoy en día, la amplia experiencia de ORNL en síntesis de materiales, imágenes, dispersión de neutrones, teoría, simulación y computación permite exploraciones pioneras de materiales cuánticos magnéticos que impulsan el desarrollo de tecnologías de próxima generación para la seguridad y el almacenamiento de la información.
El mapeo de los movimientos de espín en el líquido de espín en espiral fue posible gracias a expertos y herramientas en la fuente de neutrones de espalación y el reactor de isótopos de alto flujo, las instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Los coautores de ORNL fueron esenciales para el éxito de los experimentos de dispersión de neutrones: Clarina dela Cruz, quien dirigió experimentos utilizando el difractómetro POWDER de HFIR; Yaohua Liu, quien dirigió experimentos empleando el espectrómetro CORELLI de SNS; Matthias Frontzek, quien dirigió experimentos con la varita de HFIR2 difractómetro; Matthew Stone, quien dirigió experimentos operando el espectrómetro SEQUOIA de SNS; y Douglas Abernathy, quien dirigió experimentos trabajando con el espectrómetro ARCS de SNS.
«Los datos de dispersión de neutrones de nuestras mediciones en SNS y HFIR proporcionaron evidencia convincente de una fase líquida de giro en espiral», dijo Gao.
«Los experimentos de dispersión de neutrones midieron cómo los neutrones intercambian energía y momento con la muestra, lo que permite inferir las propiedades magnéticas», dijo el coautor Matthew Stone. Describió la estructura magnética de un líquido de giro en espiral: «Parece un mapa topográfico de un grupo de montañas con un montón de anillos que van hacia afuera. Si caminaras a lo largo de un anillo, todos los giros apuntarían en la misma dirección. Pero si caminas hacia afuera y cruzas diferentes anillos, verás que esos giros comienzan a girar alrededor de sus ejes. Esa es la espiral».
«Nuestro estudio muestra que el concepto de un líquido de giro en espiral es viable para la amplia clase de materiales de celosía de panal», dijo el coautor Andrew Christianson. «Le da a la comunidad una nueva ruta para explorar texturas de espín y excitaciones novedosas, como fracciones, que luego pueden usarse en aplicaciones futuras, como la computación cuántica».
