Físicos estadounidenses de la Universidad de Yale y el Laboratorio Nacional de Los Alamos han descubierto una aleación de metal especial, cuyas propiedades se asemejan a los superfluidos. Esta sustancia es una especie de hielo espín, dentro del cual aparecen análogos de vórtices cuánticos. El artículo de los científicos se publicó en la revista Nature Physics.
El hielo giratorio es una sustancia en la que la orientación de los momentos magnéticos de los iones cargados se asemeja a la disposición de los átomos de hidrógeno (protones) en el hielo de agua. Cuando el agua se congela, los átomos dentro de la celda tetraédrica del cristal están dispuestos de tal manera que el átomo de oxígeno de una molécula de agua está rodeado por cuatro protones. En este caso, dos protones están más lejos que otros, porque pertenecen a otras dos moléculas de agua. De manera similar, en el hielo de espín, los momentos magnéticos de dos iones se dirigen hacia adentro del tetraedro y los otros dos hacia afuera. En esencia, el hielo giratorio está formado por diminutos nanoimanes.
Los físicos han estudiado un tipo de hielo giratorio formado por la red de Shakti. Permite muchas configuraciones de este tipo de momentos magnéticos en los que se minimiza la energía de interacción en las células. Sin embargo, algunas de las configuraciones están en un estado excitado y su aparición en el hielo giratorio es inevitable. Como resultado, se produce la frustración geométrica, un fenómeno en el que todo el sistema no se puede congelar por completo (incluso en el cero absoluto), ya que no tiene un solo estado base. Este comportamiento es típico de todos los hielos de espín.
Durante el estudio, los científicos realizaron microscopía electrónica de fotoemisión de hielo de espín (PEEM) hecha de permalloy, una aleación de hierro y níquel (Ni81Fe19). La irradiación de la muestra con rayos X permitió registrar cambios en los momentos magnéticos que ocurren con la temperatura decreciente. La muestra de hielo girado se enfrió primero de 290 Kelvin (K) a 220 K, y luego a 180 K y menos (1 K corresponde a -272,15 grados Celsius).
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Aunque otros tipos de hielo de espín reconstruyen sus redes con una temperatura decreciente para alcanzar el estado de energía más bajo posible, resultó que la red de Shakti "se atasca" en un cierto nivel. Esto sucede incluso si una reestructuración a gran escala del sistema pudiera minimizar la energía. Según las conclusiones de los físicos, esto indica que este hielo de espín tiene un orden topológico global, y las excitaciones están protegidas topológicamente de la dispersión y persisten durante mucho tiempo.
Las fases ordenadas topológicamente se han descrito previamente para sistemas de mecánica cuántica que pueden asumir diferentes estados con la misma energía (estados degenerados). En otras palabras, las excitaciones estables en la red de Shakti en cierto sentido se asemejan a los vórtices cuánticos en los superfluidos, que también están protegidos topológicamente debido a la degeneración de los estados fundamentales.
