Descubren un nuevo efecto cuántico llamado “espinarón”

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Por primera vez, físicos experimentales han demostrado un nuevo efecto cuántico llamado acertadamente espinarón, un balón de rugby en una piscina de pelotas.

En un entorno meticulosamente controlado y utilizando un avanzado conjunto de instrumentos, lograron demostrar el estado inusual que adopta un átomo de cobalto sobre una superficie de cobre.

Esta revelación desafía el antiguo efecto Kondo, un concepto teórico desarrollado en la década de 1960 y que se considera el modelo estándar para la interacción de materiales magnéticos con metales desde la década de 1980.

En el laboratorio de Würzburg de los físicos experimentales Profesor Matthias Bode y Dr. Artem Odobesko reinan condiciones extremas.

Afiliados al Cluster of Excellence ct.qmat, una colaboración entre JMU Würzburg y TU Dresden, estos visionarios están estableciendo nuevos hitos en la investigación cuántica.

Su último esfuerzo es revelar el efecto espinarón.

Colocaron estratégicamente átomos de cobalto individuales sobre una superficie de cobre, bajaron la temperatura a 1,4 Kelvin (–271,75° Celsius) y luego los sometieron a un poderoso campo magnético externo.

“El imán que utilizamos cuesta medio millón de euros. No es algo que esté ampliamente disponible”, explica Bode. Su análisis posterior arrojó revelaciones inesperadas.

“Podemos ver los átomos de cobalto individuales utilizando un microscopio de efecto túnel.

Cada átomo tiene un espín, que puede considerarse como un polo norte o sur magnético.

Medirlo fue crucial para nuestros sorprendentes descubrimientos”, explica Bode.

“Depositamos en vapor un átomo de cobalto magnético sobre una base de cobre no magnética, haciendo que el átomo interactúe con los electrones del cobre.

La investigación de estos efectos de correlación dentro de los materiales cuánticos es el núcleo de la misión de ct.qmat, una búsqueda que promete innovaciones tecnológicas transformadoras en el futuro.

Desde los años 60, los físicos de estado sólido han supuesto que la interacción entre el cobalto y el cobre puede explicarse por el efecto Kondo, en el que las diferentes orientaciones magnéticas del átomo de cobalto y los electrones de cobre se anulan entre sí.

Esto conduce a un estado en el que los electrones de cobre están unidos al átomo de cobalto, formando lo que se denomina nube de Kondo.

Sin embargo, Bode y su equipo profundizaron más en su laboratorio.

Y validaron una teoría alternativa propuesta en 2020 por el teórico Samir Lounis del instituto de investigación Forschungszentrum Jülich.

Aprovechando el poder de un intenso campo magnético externo y utilizando una punta de hierro en el microscopio de efecto túnel, los físicos de Würzburg lograron determinar la orientación magnética del espín del cobalto.

Este giro no es rígido, sino que cambia permanentemente de un lado a otro, es decir, de “giro hacia arriba” (positivo) a “giro hacia abajo” (negativo), y viceversa.

Esta conmutación excita los electrones de cobre, un fenómeno llamado efecto espinarón.

Bode lo aclara con una vívida analogía:

“Debido al cambio constante en la alineación del espín, el estado del átomo de cobalto puede compararse con el de una pelota de rugby.

Cuando una pelota de rugby gira continuamente en una piscina de pelotas, las pelotas circundantes se desplazan en forma de ondas.

Eso es precisamente lo que observamos: los electrones de cobre comenzaron a oscilar en respuesta y se unieron al átomo de cobalto”.

Bode continúa: “Esta combinación de la magnetización cambiante del átomo de cobalto y los electrones de cobre unidos a él es el espinarón predicho por nuestro colega de Jülich”.

La primera validación experimental del efecto espinarón, cortesía del equipo de Würzburg, arroja dudas sobre el efecto Kondo.

Hasta ahora se consideraba el modelo universal para explicar la interacción entre átomos magnéticos y electrones en materiales cuánticos como el dúo cobalto-cobre.

Bode bromea: “¡Es hora de escribir un asterisco significativo en esos libros de texto de física!”

En el efecto espinarón, el átomo de cobalto permanece en perpetuo movimiento, manteniendo su esencia magnética a pesar de su interacción con los electrones.

En el efecto Kondo, por el contrario, el momento magnético es neutralizado por las interacciones de los electrones.

“Nuestro descubrimiento es importante para comprender la física de los momentos magnéticos en las superficies metálicas”, afirma Bode.

Mirando hacia el futuro, estos fenómenos podrían allanar el camino para la codificación y el transporte de información magnética en nuevos tipos de dispositivos electrónicos.

Esto, denominado “espintrónica”, podría hacer que la TI sea más ecológica y más eficiente energéticamente.

Sin embargo, Bode modera las expectativas cuando habla de la practicidad de esta combinación de cobalto y cobre.

“Básicamente, hemos manipulado átomos individuales a temperaturas ultrabajas sobre una superficie prístina en un vacío ultraalto.

Eso es inviable para los teléfonos móviles.

Si bien el efecto de correlación es un momento decisivo en la investigación fundamental para comprender el comportamiento de la materia, no puedo construir un cambio real a partir de él”.

Actualmente, el físico cuántico de Würzburg, Artem Odobesko, y el teórico de Jülich, Samir Lounis, se concentran en una revisión a gran escala de las numerosas publicaciones que describen el efecto Kondo en diversas combinaciones de materiales desde los años 60.

“Sospechamos que muchos podrían estar describiendo el efecto espinarón”, dice Odobesko, y añade: “Si es así, reescribiremos la historia de la física cuántica teórica”.

Fuente: Nature