Investigadores de la UEx describen en Nature Physics importantes propiedades de los vidrios de espín mediante su simulación en un superordenador

30 años después del hallazgo experimental de las sorprendentes propiedades de rejuvenecimiento y memoria en vidrios de espín (metales con impurezas magnéticas muy diluidas), un equipo formado por investigadores de diferentes universidades europeas ha conseguido reproducir este comportamiento mediante simulaciones numéricas en el superordenador Janus II

27/04/2023. Los vidrios de espín son aleaciones magnéticas que no existen en la naturaleza. Se crean en el laboratorio donde se cambian al azar una proporción muy pequeña de átomos de un metal, por ejemplo, cobre, y se sustituyen por átomos magnéticos, como el hierro o el manganeso, según explica Juan Jesús Ruiz Lorenzo, catedrático de Física Teórica en la Universidad de Extremadura (UEx) y uno de los autores de este estudio, en el que participa también Giorgio Parisi, profesor de la Sapienza Università di Roma, Premio Nobel de Física en 2021 y Doctor Honoris Causa por la UEx en 2019.

Estos metales se llaman así por las propiedades cuánticas de los electrones, presentan espín, y la denominación “vidrio” proviene de su semejanza con los vidrios formados por átomos que todavía se están moviendo, es decir, “el vidrio no ha llegado todavía al equilibrio, el punto en el que las cosas prácticamente no cambian”, matiza Ruiz Lorenzo. Ambos vidrios tienen en común que los cambios se producen a escalas de tiempo muy grandes.

El desorden y la frustración que presentan los vidrios de espín les confieren propiedades muy atractivas en el campo de los sistemas complejos en Física. Una de estas sorprendentes particularidades es el efecto de memoria y rejuvenecimiento, cuyo hallazgo experimental en 1992 ha podido ser ahora simulado computacionalmente por primera vez en el superordenador dedicado Janus II, especialmente diseñado para simular estos sistemas, y disponible de forma permanente para este equipo de investigación en la Universidad de Zaragoza.

Javier Moreno Gordo, Antonio Gordillo Guerrero y Juan Jesús Ruiz Lorenzo, miembros del Instituto de Computación Científica Avanzada de la Universidad de Extremadura (ICCAEx) y del grupo de investigación SphinX, junto con investigadores de las universidades Complutense, Zaragoza, Sapienza de Roma y de otras instituciones de investigación italianas, suizas y estadounidenses, han simulado un modelo matemático simplificado de los vidrios de espín en el superordenador Janus II y han observado el mismo comportamiento que aparece en los experimentos llevados a cabo hace más de treinta años. Además, los investigadores han propuesto un marco teórico, basado en diferentes escalas de longitud, que da cuenta de las diferentes estructuras magnéticas que se forman en el material durante su evolución en el tiempo. Estos resultados han sido publicados en la revista Nature Physics con el título Memory and rejuvenation in spin glasses: aging systems are ruled by more than one length scale.

Del mismo modo que sucede en las personas, los vidrios de espín evolucionan con el tiempo, es decir envejecen. A esta propiedad se le añade otra característica adicional que es la susceptibilidad magnética: cuanto más joven el material, más susceptible. “Una persona es muy susceptible cuando reacciona mucho ante una pequeña perturbación. En los vidrios de espín sucede lo mismo, se perturba el material mediante un pequeño campo magnético, y se comprueba si reacciona mucho o poco,” apunta el investigador de la UEx. El experimento de hace varias décadas mostró de manera conjunta el rejuvenecimiento y memoria del material. Se midió la curva de la susceptibilidad como función del tiempo. A muy baja temperatura (12 K o -261 ºC), se observa cómo reacciona el vidrio de espín en función del tiempo (unas seis horas), comprobándose que va envejeciendo, es decir, cada vez es menos susceptible conforme pasa el tiempo. Si la temperatura desciende súbitamente a 10 K, comienza reaccionando como si fuera mucho más joven, más susceptible, es decir, rejuvenece. Pero, sorprendentemente, “si volvemos a subir a la temperatura inicial (12 K) después de otras casi 6 horas a 10 K, se produce un efecto de memoria y se recupera la curva estable de envejecimiento, como si no hubiera pasado las 6 horas a 10 K, tiene un efecto memoria”, subraya Ruiz Lorenzo.

El conocimiento del comportamiento de los vidrios de espín está resultando fundamental para entender importantes problemas en otras ramas de la ciencia y la tecnología. Se pueden citar los problemas de optimización combinatoria, el plegamiento de las proteínas en Biología, aprendizaje automático en inteligencia artificial y los mismos vidrios. En todos estos campos se han realizado grandes avances en el estudio de los mismos, con la importante ayuda de las teorías de Parisi desarrolladas en el contexto de los vidrios de espín.

Referencia

M. Baity-Jesi, E. Calore, A. Cruz, L.A. Fernandez,  J.M. Gil-Narvion, I. Gonzalez-Adalid Pemartin, A. Gordillo-Guerrero, D. Iñiguez, A. Maiorano, E. Marinari, V. Martin-Mayor, J. Moreno-Gordo, A. Muñoz Sudupe, D. Navarro, I. Paga, G. Parisi, S. Perez-Gaviro,  F. Ricci-Tersenghi, J.J. Ruiz-Lorenzo, S.F. Schifano, B. Seoane, A. Tarancon, and D. Yllanes (Janus Collaboration). “Memory and rejuvenation effects in spin glasses are governed by more than one length scale”. Nature Physics DOI number 10.1038/s41567-023-02014-6 https://www.nature.com/articles/s41567-023-02014-6