Fluctuaciones cuánticas del vacío para cambiar el estado magnético de un material

Un capítulo reciente en la investigación de física de materiales ha sido el uso de luz láser intensa para modificar las propiedades de materiales magnéticos. Configurando cuidadosamente las propiedades de la luz láser, es posible modificar drásticamente la conductividad eléctrica y las propiedades ópticas de distintos materiales. Sin embargo, esto requiere una estimulación continua con láseres de alta intensidad y conlleva algunos problemas prácticos, principalmente que es difícil evitar que el material se caliente. Por ello, existe un gran interés en encontrar formas de obtener un control similar de los materiales mediante la luz, pero sin emplear láseres intensos.

Ahora, un equipo de científicos del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia, la Universidad de Stanford y la Universidad de Pensilvania, en Alemania el primero y en Estados Unidos las otras dos, han ideado un método muy distinto para cambiar las propiedades magnéticas de un material en una cavidad, óptica sin utilizar luz láser. Su estudio demuestra que la cavidad basta por sí sola para hacer que una clase de material antiferromagnético se vuelva ferromagnético.

Concretamente, el equipo, encabezado por Emil Viñas Boström, del Instituto Max Planck de Estructura y Dinámica de la Materia, ha demostrado que, incluso en una cavidad óptica aparentemente oscura, el alfa-RuCl3 (cloruro de rutenio (III)) se ve afectado por modificaciones ínfimas del entorno electromagnético y cambia su estado magnético en consecuencia. Al parecer, se trata de un efecto de la mecánica cuántica, derivado del hecho de que la cavidad vacía (técnicamente sumida en un estado que clasificamos como “vacío”) nunca está realmente vacía sino que en ella ocurren fluctuaciones cuánticas que hacen aparecer y desaparecer partículas de luz, lo que a su vez afecta a las propiedades del material.

Recreación artística del concepto de cambiar el estado magnético de un material colocándolo en una cavidad óptica y dejando actuar a las fluctuaciones cuánticas del vacío. (Ilustración: Amazings / NCYT)

La cavidad óptica confina el campo electromagnético a un volumen muy pequeño, aumentando así el acoplamiento efectivo entre la luz “fantasma” y el material. El nuevo estudio demuestra que ajustando el escenario para favorecer la aparición de los tipos de fluctuaciones cuánticas deseadas es posible provocar cambios drásticos en las propiedades magnéticas de un material. Al no necesitar excitación luminosa, este método evita, en principio, los problemas asociados a un uso extensivo del láser.

El estudio se titula “Controlling the magnetic state of the proximate quantum spin liquid α-RuCl3 with an optical cavity“. Y se ha publicado en la revista académica npj Computational Materials. (Fuente: NCYT de Amazings)