Todo sobre el nuevo estado de la materia: el líquido cuántico de espín

Justo ayer se descubrió un nuevo estado de la materia: el líquido cuántico de espín. Antes de que alguien se son asuste, vamos a explicar de forma muy sencilla lo qué es y para que podrá servirnos.

Antes de empezar es recomendable tener una nociones de lo que es el espín, pero no va a ser algo imprescindible. Lo primero que debemos entender es que este nuevo líquido cuántico de espín no es un líquido tal y como lo conocemos, de la misma forma que un agujero negro no se parece en nada a los agujeros que hacen las polillas en la madera. Es uno de estos casos en los que los físicos utilizan palabras cotidianas para describir fenómenos extraños haciéndolos más cercanos al público.

Esto no significa que sea una mentira, sino que el significado de líquido en este caso es más poético que cuando decimos que el agua es un líquido. Una vez entendido esto vamos a pasar a la parte más densa de la explicación en la que entenderemos por qué se considera se le ha dado este nombre al líquido cuántico de espín y por qué se considera un nuevo estado de la materia, igual que por ejemplo lo son los superfluídos. Por supuesto, no acabaremos el artículo sin mencionar la futuras aplicaciones de este estado.

¿Por qué se le llama líquido cuántico de espín si es sólido?

MajoranaFermions

La diferencia entre un sólido y un líquido están en la forma en la que se organizan los átomos en su interior. Mientras en un sólido estos permanecen fijos en un punto (o vibran en torno a este), en los sólido los átomos se mueve de forma desordenada unos respecto a otros dándoles la capacidad de cambiar de forma en función del recipiente en el que se encuentren. Es decir la diferencia entre líquidos y sólidos es que en los sólidos los átomos están fijos y en los líquidos se mueven, dicho mal y rápido. Ahora vamos con los líquidos cuánticos de espín.

Este estado de la materia solo se puede conseguir a temperaturas muy bajas, rozando el cero absoluto. A esta temperatura los materiales capaces de alcanzar esta fase de líquido cuántico de espín hace muchos grados que son sólidos, tienen sus átomos quietos; sin embargo sus espines no lo están. El espín de forma rápida puede entenderse como una flecha con una longitud fija que puede apuntar a cualquier dirección hasta que miramos, como el gato de Schrödinger. Y aquí es donde está la parte de líquido. En la forma en la que el momento magnético intrínseco de los electrones reacciona.

Bueno, no lo hemos dicho, pero el momento magnético está estrechamente relacionado con el espín (de ahí el nombre) y puede entenderse de una manera similar. Esto quiere decir que cuando midamos el momento magnético de un átomo podemos encontrarlo en cualquier dirección, pero si miramos muchos de ellos, veremos que casi todos apuntan en una misma dirección. Esto es lo que genera los imanes (que tiene este comportamiento a temperatura ambiente) y lo que NO ocurre en un líquido cuántico de espín. En este estado, los momento magnéticos siguen estando revueltos y no existe una dirección preferida.

La clave del líquido cuántico de espín está en los momentos magnéticos

LCE

Puede no parecer algo muy extraño, pero las implicaciones que esto tiene van mucho más allá de lo que nos imaginamos. Para empezar, un líquido cuántido de espín se comporta como una sopa cuánticamente entrelazada (si, es el término oficial que han usado en el comunicado de prensa) en la que ocurren todo tipo de extraños fenómenos, como veremos a continuación. Antes de seguir, es conveniente volver a recordar que el término “líquido” hace referencia a esta “sopa” de pequeños imanes desordenados, haciendo referencia al desorden que tienen los átomos de un líquido en comparación con un sólido.

Uno de los efectos que se producen en estos líquidos cuánticos de espín es la división efectiva de los electrones. Esto quiere decir que el electrón deja de comportarse como una sola partícula y se divide en varias partículas que puede entenderse como entes diferentes, pero que mantienen un ligazón especial, están cuánticamente entrelazados. Esto es la base de las propiedades y aplicaciones más importantes de estos líquidos cuánticos de espín, que no podrían tener lugar si no fueran materiales 2D (en 3D el electrón es indivisible, pero en 2D no tanto).

¿Y para qué sirven el líquido cuántico de espín?

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La aplicación que a todos se nos ha podido ocurrir ahora mismo es utilizar estos líquidos cuánticos de espín bidimesionales para estudiar las propiedades de estos electrones divididos pero entrelazados, y es una de la principales aplicaciones, sin lugar a dudas. Estas y otras cuasipartículas que pueden describirse como fermiones de Majorana, pueden estudiarse mejor que nunca en estos sistemas y podemos aprender muchísimo de ellas, pero no es todo lo que tienen que ofrecernos estos líquidos cuánticos de espín.

La otra aplicación que tiene este nuevo estado de la materia es funcionar como medio de desarrollo de ordenadores cuánticos. Esto se debe a que sus propiedades, que solo se dan en 2D y dentro de los líquidos cuánticos de espín, permiten a los fermiones de Mejorana permanecer aislados e incluso podrían servir como aislante para mantener sistema cuánticos (como ordenadores) aislados del mundo exterior. Y es que esta interacción con el mundo exterior es uno de los mayores problemas que existen cuando se quiere construir un ordenador cuántico suficientemente grande o potente.

Así que, como hemos visto, no es tan difícil entender estos líquidos cuánticos de espín de una forma básica, y sus aplicaciones van mucho más allá de la investigación pura. ¡Quién sabe si el día de mañana este nuevo estado de la materia es lo que se encuentra debajo de nuestra mesa, protegiendo nuestro preciado ordenador cuántico!

Bonus: Me mantengo firme en mi apuesta por que el Premio Nobel de física 2016 será para LIGO y su descubrimiento de las ondas gravitacionales, pero este descubrimiento es un buen candidato a robarles el galardón.