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Los antiguos guerreros chinos aún ayudan a los científicos del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos y sus colaboradores a aclarar los misterios del mundo natural.

Todo comenzó con un pigmento llamado púrpura Han que fue usado hace más de 2000 años para dar color a los guerreros de terracota de Xi’an de la Dinastía Qian. El pigmento se conoce ahora dentro del mundo científico como BaCuSi₂0₆ -- y cuando los científicos del laboratorio magnético lo expusieron a campos magnéticos muy altos y muy bajas temperaturas, entró en un estado de la materia que es muy extraño observar.

La investigación más reciente, publicada en el número de hoy de la revista Nature, muestra que el punto de menor temperatura en el cual se produce el cambio de estado – llamado Punto Crítico Cuántico – el pigmento púrpura Han en realidad pierde una dimensión: pasa de 3D a 2D.

Los físicos teóricos han postulado que este tipo de reducción dimensional podría ayudar a explicar algunas de las misteriosas propiedades de otros materiales (superconductores a altas temperaturas e imanes metálicos conocidos como “fermiones pesados” por ejemplo) a temperaturas cercanas al cero absoluto, pero hasta ahora, no se había observado experimentalmente un cambio de dimensión.

Nosotros vivimos en tres dimensiones; arriba-abajo, adelante-atrás e izquierda-derecha son las opciones. Una onda de sonido, por ejemplo, “existe” en tres dimensiones y se propaga en todas ellas simultáneamente. Si pudiésemos tomar una imagen se parecería a un globo que estalla. Una onda en dos dimensiones se parece a las crestas en la superficie de un estanque. Las crestas solo se propagan por la superficie; no se propagan en perpendicular a ella, que es la tercera dimensión.

"Como sucede a menudo en la ciencia, encontramos algo que no estábamos buscando”, dijo Marcelo Jaime, físico experimental del laboratorio magnético en las Instalaciones de Campo de Pulso en Los Álamos, Nuevo México. "Para nuestra sorpresa, encontramos que cuando la temperatura es lo bastante baja, se produce la transición al nuevo estado magnético en una forma inesperada".

El experimento fue realizado en el laboratorio magnético de las Instalaciones de Campo de DC en la Universidad de Florida State por Neil Harrison de las Instalaciones de Campo de Pulso y Suchitra Sebastian de la Universidad de Stanford, en colaboración con un equipo de científicos de otras instituciones.

Observaron que en un alto campo magnético (por encima de 23 tesla) y temperaturas entre 1 y 3 grados Kelvin (aproximadamente -460 grados Fahrenheit), las ondas de campo magnético en los cristales tridimensionales de púrpura Han "existen" en un mundo tridimensional como nos dice el sentido común. Sin embargo, por debajo de estas temperaturas, cerca del límite cuántico, una de las dimensiones deja de estar accesible, con la inesperada consecuencia de que las crestas magnéticas se propagan solo en dos dimensiones. (Kelvin es la escala de temperatura usada por los científicos; cero grados Kelvin es el cero absoluto, una temperatura tan baja que en inalcanzable experimentalmente.)

Las ondas magnéticas del pigmento existen en un único estado de la materia llamado condensado Bose-Einstein (BEC), llamado así por ser postulado teóricamente por Satyendra Nath Bose y Albert Einstein. En el estado BEC, las ondas individuales (asociadas con el magnetismo a partir de los átomos de cobre en BaCuSi₂0₆) pierden sus identidades y se condensan en una onda gigante de magnetismo ondulante. Cuando la temperatura baja, esta onda magnética se vuelve más sensible al alineamiento vertical de las capas de cobre individuales, las cuales son desplazadas relativamente de otras – un fenómeno conocido como “frustración geométrica”. Esto hace que sea difícil para la onda existir en la tercera dimensión arriba-abajo, y la lleva a cambiar a una onda bidimensional, casi de la misma forma que las crestas están confinadas en la superficie de un estanque. El marco de trabajo teórico que lleva a esta interpretación fue proporcionado por Cristian Batista del LANL.

Otros miembros del equipo de investigación incluyen a Peter Sharma y Jaime del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos del LANL, Luis Balicas del NHMFL de la FSU, Ian Fisher de Stanford, y Naoki Kawashima de la Universidad de Tokyo.

"Este es verdaderamente un trabajo de suma importancia", dijo Alex Lacerda, director asociado para operaciones de usuario en las tres sedes del laboratorio magnético y director de la Instalación de Campo de Pulso. "Toma imanes de clase mundial, instrumentos y gente, todo lo cual posee el laboratorio magnético, para producir esta clase de hitos en la investigación".

Investigaciones como esta podrían ayudar en la comprensión de los procesos que son importantes para los ordenadores cuánticos. Se cree que este tipo de ordenadores trabajarían basados en el magnetismo cuántico para realizar muchos cálculos distintos al mismo tiempo. Los teóricos creen que esta capacidad podría proporcionar respuestas a problemas matemáticos mucho más rápidamente de lo actual con los ordenadores convencionales.

Los científicos también piensan que algún día, la información deducida del BEC ayudará a construir instrumentos para medidas mucho más sensibles y diminutas estructuras que son mucho más pequeñas que los chips de ordenador.

Fuente: National High Magnetic Field Laboratory
Traductor:Manuel Herman

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