“Escuchan” materiales magnéticos para comprender nuevos estados de la materia

Una noción de la física muchas veces exportada a las ciencias sociales es que el proceso de observar un fenómeno intrínsecamente altera su naturaleza. Una especie de círculo vicioso: ver algo implica cambiarlo. Así planteada, la situación parece una trampa sin salida. Sin embargo, hay matices. Una posibilidad es crear sistemas cuyas propiedades sean resistentes a la observación; otra, refinar los medios y métodos con los que observamos.

Sobre esta última, una manera de obtener información de un sistema causando alteraciones mínimas es “escuchar” el ruido que este produce. Los ruidos esconden en sus características información valiosa sobre los constituyentes elementales de un sistema. En electrónica, por ejemplo, el ruido que genera una resistencia se puede usar para determinar su temperatura. Otro caso, más sofisticado, es la determinación a partir del ruido eléctrico de la aparición de cargas fraccionales en sistemas electrónicos bidimensionales.

En un estudio científico que publicamos días atrás en la prestigiosa revista Procedures of the National Academy of Sciences (PNAS) con un grupo de investigadores de cinco países, utilizamos el ruido magnético –pequeños cambios en la magnetización– de un tipo de sistema denominado “frustrado” para obtener información sobre su dinámica. Los materiales frustrados son aquellos en los que hay en juego varias interacciones antagónicas que no pueden ser satisfechas simultáneamente, una condición que los hace particularmente interesantes, ya que evita soluciones triviales y ofrece una plataforma ideal para estudiar nuevos escenarios.

Durante el desarrollo de la investigación, se trabajó en un laboratorio con un recinto magnéticamente aislado, donde se enfrió un monocristal del material elegido: titanato de disprosio (Dy₂Ti₂O₇) a una temperatura cercana al cero absoluto, y se lo colocó en la proximidad de un SQUID (sigla en inglés para Dispositivo Superconductor de Interferencia Cuántica), una sonda que permite detectar cambios minúsculos en flujo magnético. La señal medida, es decir la variación de la magnetización del sistema en función del tiempo o “ruido magnético”, fue luego analizada y comparada con modelos numéricos del sistema.

Los resultados revelaron efectos cooperativos, en los que grupos de átomos se comportan de forma coordinada, y de memoria. El espectro de ruido, fuertemente anómalo, difirió del ruido blanco esperado para el movimiento aleatorio de cargas magnéticas. Este ruido de color tiene su origen en las correlaciones inducidas por las distintas interacciones en competencia. La importancia de este estudio radica en que el ruido revela cómo una dinámica anómala, parecida a la que surge en sistemas vidriosos, puede darse en sistemas magnéticos topológicos, aún en la ausencia de desorden.

En términos más generales, este tipo de estudios nos ayuda a comprender mejor nuevos estados de la materia y a tener una idea más acabada de los fenómenos que ocurren en sistemas “desordenados”.

*Santiago Grigera es investigador principal del CONICET y director del Instituto de Física de Líquidos y Sistemas Biológicos (IFLYSIB, CONICET-UNLP).

Referencia bibliográfica:

Anjana M. Samarakoon, S. A. Grigera, D. Alan Tennant, Alexander Kirste, Bastian Klemke, Peter Strehlow, Michael Meissner, Jonathan N. Hallén, Ludovic Jaubert,  Claudio Castelnovo, and Roderich Moessner. Anomalous magnetic noise in an imperfectly flat landscape in the topological magnet Dy2Ti2O7. PNAS. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.2117453119

Sobre investigación:

Anjana M. Samarakoon. Laboratorio Nacional Oak ridge, EEUU.
Santiago A. Grigera. Investigador principal. IFLYSIB.
D. Alan Tennant. Laboratorio Nacional Oak ridge, EEUU.
Alexander Kirste. Instituto Físico Técnico Alemán (PTB), Alemania.
Bastian Klemke. Centro Helmholtz de Berlín de Materiales y Energía (HZB), Alemania.
Peter Strehlow. Instituto Físico Técnico Alemán (PTB), Alemania.
Michael Meissner. Centro Helmholtz de Berlín de Materiales y Energía (HZB), Alemania.
Jonathan N. Hallén. Grupo de Teoría de Materia Condensada, Laboratorio Cavendish, Universidad de Cambridge, RU / Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, Dresden, Alemania.
Ludovic Jaubert. CNRS, Universidad de Bordeaux, Francia.
Claudio Castelnovo. Grupo de Teoría de Materia Condensada, Laboratorio Cavendish, Universidad de Cambridge, RU
Roderich Moessner. Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complejos, Dresden, Alemania.