Diagrama de fases y firmas espectroscópicas de un supersólido en el imán de Ising cuántico K2Co(SeO3)2

El extraño mundo de los sólidos que fluyen

Imagínese un material que es a la vez un cristal rígido y un fluido sin fricción. Este estado contraintuitivo, llamado “supersólido”, ha fascinado a los físicos durante décadas pero ha sido muy difícil de identificar en materiales reales. En este trabajo, los investigadores muestran que un imán a base de cobalto, K2Co(SeO3)2, se comporta justamente de esa manera exótica. Al cartografiar cuidadosamente cómo se disponen y fluctúan sus espines —pequeños imanes atómicos— bajo frío extremo y campos magnéticos intensos, revelan no una sino dos fases supersólidas distintas, abriendo una nueva ventana experimentalmente accesible hacia algunas de las formas más extrañas de la materia cuántica.

Un patio de recreo magnético y plano

La clave de este descubrimiento es la geometría y la frustración. En K2Co(SeO3)2, los iones magnéticos de cobalto se sitúan en capas planas y triangulares. En tal retículo, los espines vecinos prefieren apuntar en direcciones opuestas, pero tres espines en un triángulo no pueden satisfacer esa regla a la vez. Esta “frustración” conduce a un gran número de configuraciones casi equivalentes, como una baraja desordenada en la que muchos patrones tienen casi la misma energía. a campo magnético cero y a baja temperatura, experimentos de dispersión de neutrones muestran que los espines seleccionan un patrón repetitivo con una celda unitaria mayor de tres sitios, rompiendo la periodicidad regular del cristal. Al mismo tiempo, los espines no se congelan por completo: el tamaño del momento ordenado se reduce notablemente, lo que indica un intenso movimiento cuántico que mantiene al sistema en equilibrio entre orden y desorden.

Cuando el orden y el flujo coexisten

Para determinar si este estado inquieto es un supersólido, el equipo analizó cómo se mueven los espines, no solo cómo están dispuestos. Usando espectroscopía de neutrones muy sensible, encontraron que el sistema soporta bandas amplias de excitaciones magnéticas en lugar de las ondas agudas esperadas en un imán simple. En un vector de onda especial fijado por el patrón triangular, observaron dos ingredientes clave simultáneamente: un modo cuya energía llega hasta cero y otro con una pequeña pero finita brecha. En el lenguaje de las simetrías, estas características señalan que el sistema rompe tanto una simetría continua de rotación de espín (análoga a un superfluido que puede fluir sin resistencia) como una simetría discreta de traslación (análoga a un cristal con un patrón de densidad repetitivo). Juntas, estas son las dos señas de identidad de un supersólido en este contexto magnético.

Un mapa de fases cuántico en campo magnético

Aplicar un campo magnético a lo largo del eje fácil de los espines permite a los investigadores ajustar el equilibrio entre las configuraciones en competencia. Mediciones de capacidad calorífica y magnetización en un amplio rango de temperaturas y campos revelan un diagrama de fases detallado. A campos moderados, los espines se reorganizan en un patrón “arriba–arriba–abajo” en cada triángulo, dando lugar a una meseta robusta donde la magnetización se fija en un tercio de su valor máximo. Esta transición de fase se comporta como predice un conocido modelo de Potts bidimensional, confirmando que las interacciones subyacentes están extremadamente cerca de un caso teórico ideal. A campos más bajos, los datos muestran que el sistema cruza de forma suave al régimen supersólido de campo bajo, donde longitudes de correlación largas pero finitas rompen efectivamente la simetría de tres subredes incluso en ausencia de campo.

Un segundo supersólido cerca de la polarización completa

Las sorpresas no terminan a campos altos. A medida que la magnetización se aproxima a la saturación, medidas detalladas de magnetización y entropía revelan una fase adicional atrapada entre la meseta de un tercio y el estado totalmente alineado. La teoría para el mismo modelo en retículo triangular predice que en esta ventana de campo el sistema vuelve a albergar un supersólido: los espines están casi todos alineados, pero una pequeña fracción aún puede moverse coherentemente, dando lugar a un estado mixto con patrón rígido y flujo cuántico. El experimento concuerda con estas predicciones, incluida la abrupta transición de tipo primero esperada al entrar en este supersólido de campo alto. Al analizar el espectro de ondas de espín en la fase de meseta, el equipo también determina las intensidades de interacción y muestra que solo los vecinos más cercanos importan de forma significativa, haciendo de K2Co(SeO3)2 una realización inusualmente limpia del modelo ideal.

Por qué esto importa para los materiales cuánticos

Para el lector no especializado, el mensaje clave es que K2Co(SeO3)2 actúa como un laboratorio para materia que se comporta de maneras aparentemente contradictorias: sólido y superfluido a la vez. En este imán, las posiciones de los espines forman un patrón repetitivo como los átomos en un cristal, mientras que su movimiento cuántico permanece deslocalizado y coherente, como en un fluido. La combinación produce fases supersólidas que no son solo curiosidades teóricas sino que ahora se han cartografiado en detalle y se han sondeado con potentes herramientas espectroscópicas. Debido a que las escalas de energía relevantes son mucho mayores que en candidatos anteriores, este material permite mediciones precisas y pruebas nítidas de la teoría, convirtiéndolo en un sistema de referencia para entender cómo las fluctuaciones cuánticas pueden esculpir estados de la materia totalmente nuevos.

Cita: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Palabras clave: supersólido, magnetismo frustrado, retículo triangular, sistema de espines cuánticos, dispersión de neutrones