'Mitad hielo, mitad fuego': descubren un nuevo y extraño estado de la materia

El descubrimiento se centra en el compuesto Sr3CuIrO6, una mezcla de estroncio, cobre, iridio y oxígeno en la que los investigadores Weiguo Yin y Alexei Tsvelik identificaron una fase inusual. En 2016, junto con Christopher Roth, los autores del presente artículo ya revelaron un nuevo estado al que llamaron 'mitad fuego, mitad hielo', en el que los espines de los electrones en la red de átomos de cobre se comportan de manera desordenada, como 'llamas parpadeantes', mientras que los espines de los electrones de los átomos de iridio permanecen ordenados, como en el 'hielo'.

Ahora, el equipo ha descubierto el estado opuesto, uno en el que los roles de los electrones se invierten y que ha recibido el nombre de 'mitad hielo, mitad fuego'. El fenómeno, crucial para entender la dinámica de los materiales magnéticos, se basa en el concepto de 'frustración', término que, en este contexto, describe las interacciones complejas entre partículas vecinas, donde incluso un pequeño cambio puede desencadenar una cascada de modificaciones en todo el sistema, llevando a la transición de la materia de un estado a otro.

Para entender mejor el concepto de 'frustración', podemos imaginar una red de imanes diminutos, cada uno representando un espín electrónico. En un material ferromagnético convencional, como el hierro, todos estos imanes se alinean en la misma dirección, creando un campo magnético fuerte. Sin embargo, en materiales como Sr3CuIrO6, la geometría de la red y las interacciones entre los espines pueden impedir que todos se alineen perfectamente. Esta 'frustración' lleva a estados donde algunos espines están ordenados y otros desordenados. O lo que es lo mismo, a un estado 'mitad hielo, mitad fuego'.

La transición de fase observada en el Sr3CuIrO6 resulta particularmente interesante porque, según los modelos matemáticos tradicionales, este tipo de transiciones no debería ocurrir a determinadas temperaturas. Sin embargo, el trabajo de Yin y Tsvelik ha demostrado que, dentro de un rango de temperaturas muy estrecho, existe un estado gemelo oculto donde los espines de cobre se ordenan y los de iridio se desordenan.

El descubrimiento no solo revela la existencia de fases ocultas de la materia y sus transiciones, sino que también abre la puerta a aplicaciones tecnológicas revolucionarias. La capacidad de controlar con precisión la transición de fase en Sr3CuIrO6, por ejemplo, podría ser crucial para el desarrollo de qubits, las unidades básicas de la computación cuántica. Los qubits, a diferencia de los bits clásicos, que sólo admiten valores de 0 ó 1, pueden existir en múltiples estados simultáneamente, lo que permite realizar cálculos complejos a velocidades inimaginables.

Además, la transición de fase recién observada podría tener aplicaciones en la espintrónica, tecnología que utiliza el espín de los electrones para almacenar y procesar información. La capacidad de cambiar rápidamente entre los estados 'mitad fuego, mitad hielo' y 'mitad hielo, mitad fuego' podría permitir la creación de dispositivos de almacenamiento de información cuántica altamente eficientes.

Otro posible uso podría darse en la refrigeración magnética. El cambio ultrapreciso de fase, acompañado de un gran cambio en la entropía magnética podría, en efecto, ser utilizado para conseguir una refrigeración más eficiente y ecológica. La idea se basa en que la entropía magnética, una medida del desorden en los espines, cambia drásticamente durante la transición de fase, lo que puede ser aprovechado para absorber o liberar calor.

Con todo, este descubrimiento es solo el principio. De hecho, Yin y Tsvelik planean explorar el fenómeno 'fuego-hielo' en sistemas con espines cuánticos y otras complejidades, como redes o cargas. «La puerta a nuevas posibilidades está ahora bien abierta», afirma Yin.

El estudio de los materiales magnéticos y sus fases exóticas es un campo en constante evolución. Investigaciones similares en otros materiales, como los óxidos de metales de transición, han revelado fenómenos igualmente sorprendentes. Por ejemplo, estudios sobre óxidos de manganeso han mostrado transiciones de fase inducidas por campos magnéticos y eléctricos, lo que sugiere que la capacidad de controlar las propiedades de los materiales a través de estímulos externos es un área de gran potencial.

El trabajo de Yin y Tsvelik, por lo tanto, representa un paso significativo hacia la comprensión y el control de los estados exóticos de la materia. A medida que continúan explorando las profundidades de la física de la materia condensada, los investigadores nos acercan, cada vez más, a un futuro donde las tecnologías cuánticas y la espintrónica transformarán, de nuevo, nuestra forma de vivir y trabajar.