Redacción

Los materiales que a nivel atómico parecen mosaicos de baldosas triangulares tienen a veces propiedades paradójicas, y por fin unos físicos cuánticos han descubierto por qué.

El comportamiento de los electrones en un material depende de la disposición de los átomos.

Una disposición triangular en la red conformada por los átomos tiende a generar efectos muy llamativos. Esto se debe a que los electrones tienen un espín, que puede apuntar hacia arriba o hacia abajo. Un triángulo con tres átomos y solo dos direcciones de espín es propenso a la “indecisión” de sus electrones y a lo que los físicos cuánticos llaman “frustración geométrica”.

La frustración geométrica puede hacer que los electrones de los materiales con átomos dispuestos en ese patrón triangular se organicen de tres maneras simultáneas que compiten entre ellas. Así lo revela un nuevo estudio computacional dirigido por investigadores del Instituto Flatiron, entidad adscrita a la Fundación Simons, de Estados Unidos.

Utilizando una combinación de técnicas computacionales de vanguardia, el equipo de Alexander Wietek descubrió que, en condiciones especiales, estos materiales con patrones triangulares pueden terminar en una mezcla de tres diferentes clases de orden o fases al mismo tiempo. Las fases que compiten entre sí se superponen, y cada una lucha por imponerse a las otras. Como resultado, el material se vuelve más ordenado cuando se calienta.

Las simulaciones por ordenador revelaron las características principales de cada fase.

En el primero de los tres intentos de ordenación, los electrones tendían a crear columnas alternas de electrones apuntando hacia arriba o hacia abajo.

En la segunda ordenación, los electrones se inclinaron. Aunque el espín de un electrón puede apuntar solo hacia arriba o hacia abajo, puede inclinarse en un ángulo. En este caso, los tres electrones de cada uno de los triángulos de la red se orientan de forma que sus ángulos están repartidos, con cada ángulo separado por 120 grados.

La tercera ordenación fue la más fascinante. Los electrones se alinearon de tal manera que sus ángulos de espín tenían un patrón de torsión a la derecha o a la izquierda en tres dimensiones, con los espines fluctuando constantemente. Esta tercera configuración podría indicar que el sistema estaba formando un estado de la materia llamado líquido de espín quiral.

Hay planes para intentar utilizar la fase de líquido de espín quiral en las computadoras cuánticas, ya que todo apunta a que sería capaz de evitar errores.

El estudio se titula “Mott Insulating States with Competing Orders in the Triangular Lattice Hubbard Model”. Y se ha publicado en la revista académica Physical Review X.