Fenómenos cuánticos de espín en sistemas mesoscópicos

Abstract

La Física Cuántica descansa sobre el principio de indeterminación que nos dice que no podemos conocer con total precisión y a la vez la posición y la velocidad de un objeto. Una consecuencia de la indeterminación en la posición es la probabilidad no nula que tiene una partícula de atravesar una región prohibida clásicamente; este es el denominado efecto túnel. El decaimiento de una partícula alfa de un núcleo, la conducción por "electron-hoping" en aislantes, las parejas de Cooper tuneleando a través de una unión de Josephson, etc, son algunos ejemplos de manifestaciones del efecto túnel. En los años 80, Caldeira y Leggett [1, 2] desarrollaron la teoría formal del efecto túnel macroscópico, que predecía que bajo determinadas circunstancias los objetos macroscópicos, podrían presentar propiedades cuánticas reservadas a los objetos microscópicos. La primera evidencia de efecto túnel macroscópico fue presentada por Clarke [3], quien mostró que, en uniones Josephson, la diferencia de fase superconductora a través de la unión puede tunelear entre el estado superconductor y el estado normal.

Los físicos teóricos, guiados por el formalismo planteado por Caldeira y Legett, produjeron interesantes avances teóricos. Quiero destacar los trabajos de E. M. Chudnovsky dedicados al efecto túnel del momento magnético [4, 5]. En el ámbito experimental, hay sólidas evidencias experimentales del efecto túnel del momento magnético deducidas de los trabajos de relajación magnética a bajas temperaturas [6, 7, 8], muchas de ellas obtenidas por parte del grupo de investigación al que pertenezco. En ellas se observa la constancia de la viscosidad magnética por debajo de una determinada temperatura de "crossover", contrariamente a lo esperado clásicamente. Esto se atribuye a la inversión cuántica del momento magnético. La relajación magnética observada en la mayoría de materiales representa el promedio estadístico sobre un gran número de sucesos, con una ancha distribución de escalas temporales debido a factores aleatorios como el tamaño de las partículas o las interacciones. Por lo tanto, es difícil realizar una comparación directa entre la teoría y los experimentos.

El formato elegido en esta memoria es el de compendio de artículos. Sin embargo, tal presentación ha sido completada con explicaciones para introducir, ampliar o justificar los resultados expuestos en las publicaciones. En el primer capítulo, se describe el diseño y operación de un sistema de medida de magnetización a ultra-bajas temperaturas. Su puesta a punto en el rango de muy bajas temperaturas lo ha convertido en un equipo experimental único en el mundo, lo que nos ha permitido obtener resultados muy novedosos en el panorama científico internacional.

En el segundo capítulo muestro un modelo teórico que describe el comportamiento de los sistemas de partículas magnéticas a bajas temperaturas. Hago especial hincapié en la obtención de resultados para los diferentes protocolos de medida usados habitualmente en los experimentos. Analizo su utilidad para extraer los parámetros intrínsecos del material así como para llegar al esclarecimiento de los mecanismos que gobiernan su relajación. Los resultados de este modelo en comparación con resultados de experimentos en sistemas de partículas permiten una fácil interpretación de los mismos en términos del efecto túnel de la magnetización.

El tercer capítulo describe tanto los resultados de los experimentos como el modelo teórico que explica los fenómenos cuánticos en clústeres moleculares. Tales compuestos han abierto la puerta para un estudio detallado de los fenómenos de relajación cuántica presentando además nuevas características asociadas al carácter discreto de su bajo momento magnético (del orden de la decena de magnetones de Bohr). Presento también un nuevo fenómeno en la Física, el efecto túnel resonante de la magnetización, basado en el hecho de que, cuando los niveles a ambos lados de la barrera dada por el hamiltoniano de espín están degenerados, la probabilidad de efecto túnel es máxima. Presento los resultados de caracterización obtenidos mediante diferentes técnicas: magnetización d.c. y a.c. al helio líquido, capacidad calorífica, experimentos bajo campos magnéticos pulsados, y, en el caso del compuesto Fe8, magnetización d.c. a ultra-bajas temperaturas obtenida en el magnetómetro descrito en el primer capítulo. El estudio de la respuesta de estos materiales bajo la acción de campos magnéticos pulsados, nos ha revelado que la magnetización puede relajarse en forma de avalanchas asociadas a la gran cantidad de energía liberada en el proceso. Las medidas a ultra-bajas temperaturas demuestran que el efecto túnel en dicho rango de temperaturas se produce por el nivel fundamental, definiendo el marco necesario para el desarrollo del experimento descrito en el capítulo 4.

En el cuarto capítulo, presento los resultados de las medidas de susceptibilidad a.c. a alta frecuencia en el compuesto Fe8. Dichas medidas muestran dos picos en la dependencia de la susceptibilidad con el campo magnético y pueden ser interpretadas como una absorción de energía por los niveles que aparecen como consecuencia de la superposición cuántica de los estados a ambos lados de la barrera. Este hecho constituye la primera evidencia experimental de la coherencia cuántica mesoscópica del momento magnético.