El magnetismo de un imán es debido a los momentos magnéticos libres (espines) de los átomos que lo constituyen. En un material paramagnético, al aplicar un campo magnético, estos espines se alinean paralelamente al campo, en otro caso están orientados al azar. Un imán permanente es un material ferromagnético en el que el acoplamiento entre los espines es suficientemente fuerte para mantener su alineamiento. Muchos materiales paramagnéticos dejan de serlo a muy baja temperatura debido a una ruptura espontánea de la isotropía (simetría continua de rotación) en su estado fundamental. Un paramagneto cuántico es un material que mantiene su paramagnetismo a temperaturas muy bajas.
Un líquido de espín es un paramagneto cuántico a temperatura nula, capaz de resistir las fluctuaciones cuánticas (como la frustación de la topología de la red cristalina) que evitan el establecimiento de un orden magnético en el límite de temperatura nula. Un líquido de espín quiral es un líquido de espín exótico en el que debido a la frustación se rompe alguna simetría discreta, como la inversión temporal o la paridad. Machida et al. han observado la ruptura de la simetría de inversión temporal en un líquido de espín quiral. La simetría T corresponde a cambiar la dirección del tiempo. Esta simetría está rota en la teoría electrodébil de la física de partículas elementales gracias a una transición de fase de primera especie. También está rota en la segunda ley de la termodinámica, pero como transición de fase de segunda especie. Machida et al. han observado macroscópicamente la ruptura de la simetría T en un líquido de espín gracias a la aparición espontánea del efecto Hall anómalo en un imán metálico frustado, Pr2Ir2O7. Un gran resultado experimental publicado en el artículo técnico de Yo Machida, Satoru Nakatsuji, Shigeki Onoda, Takashi Tayama, Toshiro Sakakibara, "Time-reversal symmetry breaking and spontaneous Hall effect without magnetic dipole order," Nature, advance online publication, 9 December 2009.
PS (12 diciembre 2009): Una explicación para legos. El magnetismo de un material proviene de que sus átomos o moléculas se comportan como pequeños imanes. Ello es debido a que los electrones se comportan como pequeños imanes, tienen espín (los protones y neutrones del núcleo también). El espín es una propiedad cuántica relativista que no existe en física clásica y tratar de explicarlo me llevaría demasiado lejos. El magnetismo macroscópico tiene su origen en el magnetismo electrónico (de los electrones) con una contribución despreciable del magnetismo nuclear (de los protones y neutrones).
En un material sólido, una red cristalina, los pequeños imanes atómicos interactúan entre ellos mediante fuerzas magnéticas, que dependen de si un par de ellos apunta en la misma dirección (son paralelos) o en direcciones opuestas (son antiparalelos). La aplicación de un campo magnético externo genera una fuerza sobre todos los pequeños imanes, logrando que se reorienten como pequeñas brújulas. Cuando el campo magnético desaparece los pequeños imanes se reorientan buscando una configuración cuya energía sea mínima, que minimiza la energía de interacción entre los pequeños imanes. Las posibles configuraciones de energía mínima dependen de las propiedades (magnéticas) del material sólido considerado. Estas configuraciones son más "visibles" cuando el material es enfriado muy cerca del cero absoluto, ya que así se minimizan el efecto aleatorio de las vibraciones térmicas de la red cristalina.
El magnetismo de los pequeños imanes vecinos entre sí se suma resultando en un imán equivalente que interactúa con otros imanes equivalentes de otras configuraciones de vecinos. En la figura de arriba tenéis configuraciones de vecinos en triángulo, con espines en los vértices de Si, Sj, y Sk y espín total igual a κijk, y configuraciones en hexágono, equivalente a la suma de 3 triángulos. En ciertas redes cristalinas, debido a la geometría espacial de sus átomos o moléculas, las energías de interacción entre los pequeños imanes vecinos no pueden ser todas mínimas a la vez, y lo que se minimiza es la energía entre configuraciones de vecinos. Decimos que este material está "frustrado." Esta correlación a gran distancia (mayor que la que separa imanes vecinos) entre grupos de vecinos es similar a la correlación entre moléculas de un sólido o de un líquido. Por ello, estos materiales "frustrados" se comportan termodinámicamente como sólidos magnéticos llamados "hielos de espín" o como líquidos magnéticos llamados "líquidos de espín."
La frustración provoca que en el estado de mínima energía un grupo de espines vecinos pueda estar en múltiples configuraciones posibles compatibles con las configuraciones de otros grupos de vecinos a su alrededor. En los líquidos de espín estas configuraciones de vecinos permiten cierta "movilidad" similar a la de las moléculas que no están fijas a la red cristalina en un líquido convencional.
Los líquidos de espín cuánticos son materiales que a muy baja temperatura muestran propiedades magnéticas discretas, no continuas, o sea, cuantizadas. El estado de mínima energía (a temperatura T=0) de este material presenta un espín total nulo (S=0) y el siguiente estado de mínima energía, con un espín total igual a la unidad (S=1), se encuentra separado por un salto (bandgap) de energía. También hay líquidos de espín en los que el primer estado de energía presenta un espín total igual a un medio (S=1/2). Estos sistemas macroscópicos se han de describir mediante una función de onda cuántica Ψ(x,t). En general, esta función de onda cuántica es invariante ante simetrías de reflexión especular, Ψ(x,t)=Ψ(-x,t), es decir, la simetría P indica que el líquido de espín visto en un espejo tiene el mismo espín total en su primer estado cuántico. También, esta función de onda cuántica es invariante ante simetrías de reflexión temporal, Ψ(x,t)=Ψ(x,-t), es decir, la simetría T significa que la función de onda no cambia cuando todo movimiento "rotatorio" en cierto sentido invierte su sentido (recuerda que la imagen clásica del espín son movimientos rotatorios intrínsecos). Lo habitual es que un líquido cuántico sea invariante a simetrías P, T y PT.
Hay materiales en los que las interacciones entre los electrones de sus átomos o moléculas son tan fuertes que se comportan como si formaran partículas "efectivas" (cuasipartículas) de espín fraccionario (diferente de 1/2 y 1, por ejemplo 3/4). Esto ocurre en los materiales que presentan efecto Hall cuántico fraccionario. Al estar formados estos materiales por cuasipartículas de espín fraccionario, sus funciones de onda cumplen con la simetría PT, Ψ(x,t)=Ψ(-x,-t), pero no están obligados a cumplir con las simetrías P o T individualmente. Cuando un material de este tipo se comporta como líquido de espines cuántico hablamos de un líquido de espín cuántico quiral. En estos materiales se puede observar la ruptura de las simetrías P o T experimentalmente. Eso es lo que se ha logrado por primera vez en el artículo de Nature objeto de esta noticia, observar un líquido de espín cuántico quiral en el que se cumple que su función de onda macroscópica cumple que Ψ(x,t)≠Ψ(x,-t).
Edymar Gonzalez A
19.502.773
CRF
http://francisthemulenews.wordpress.com/2009/12/10/observada-la-ruptura-de-la-simetria-temporal-en-un-liquido-de-espin-quiral-gracias-al-efecto-hall-anomalo/
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