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Disorder Induced Quantum Griffiths Phase in the Proximate Kitaev Quantum Spin Liquid Na2Co2TeO6

Mediante el uso de RMN de $^{23}\text{Na}$ y cálculos ab initio, este estudio demuestra que el desorden intrínseco en el $\text{Na}_2\text{Co}_2\text{Te}\text{O}_6$ induce una transición a una fase de Griffiths cuánticos caracterizada por la coexistencia de excitaciones de espín con brecha y casi sin brecha, desafiando la visión convencional de que el desorden únicamente desestabiliza los líquidos de espín cuánticos de Kitaev.

Autores originales: Wassilios Papawassiliou, Nicolas Lazardis, Eunice Mumba Mpanga, Jonas Koppe, Nikolaos Panopoulos, Lydia Gkoura, Romain Berthelot, Michael Fardis, Gaël De Paëpe, Andrew Pell, Georgios Papavassiliou

Publicado 2026-08-12

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CC BY 4.0

Autores originales: Wassilios Papawassiliou, Nicolas Lazardis, Eunice Mumba Mpanga, Jonas Koppe, Nikolaos Panopoulos, Lydia Gkoura, Romain Berthelot, Michael Fardis, Gaël De Paëpe, Andrew Pell, Georgios Papavassiliou

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina el mundo de los átomos como una pista de baile gigante y bulliciosa. En la mayoría de los materiales, los bailarines (que son pequeñas partículas magnéticas llamadas "spins") eventualmente se cansan de bailar de forma aleatoria y deciden alinearse en filas perfectas y rígidas, todas mirando en la misma dirección. Esto es lo que llamamos un imán, como el que tienes en tu nevera. Pero en un rincón especial y exótico de la física llamado "materia cuántica", las reglas son diferentes. Aquí, los bailarines se niegan a alinearse. En su lugar, permanecen en un estado de movimiento frenético y constante, incluso cuando la temperatura baja hasta cerca del cero absoluto. Los científicos llaman a esto un "Líquido de Espín Cuántico".

¿Por qué es esto importante? Porque en este estado líquido, los bailarines no solo se mueven; se dividen. Un solo bailarín puede romperse en dos o tres piezas que flotan de forma independiente, portando solo una fracción de la energía original. Es como si una sola persona en una fiesta pudiera de repente dividirse en un fantasma y una sombra, ambos bailando por su cuenta. Esta "fraccionamiento" es el santo grial para construir los supercomputadores del futuro, pero es increíblemente frágil. Por lo general, si introduces un poco de desorden o "desorden" en la estructura del cristal —como un bailarín tropezando con un zapato—, arruinas todo el estado líquido y fuerzas a los espines a alinearse de todos modos.

Sin embargo, un nuevo estudio sugiere que, a veces, un poco de desorden no destruye la fiesta; de hecho, crea un tipo de danza completamente nuevo. Los investigadores analizaron un material específico, un cristal llamado Na2Co2TeO6, que es naturalmente un poco desordenado en su interior. Descubrieron que este desorden no mata el líquido cuántico; en su lugar, crea un mundo extraño y fragmentado, donde algunas partes están congeladas y con brecha (gapped), mientras que otras son salvajes y sin brecha (gapless), todas viviendo juntas en una "fase de Griffiths".

El artículo: Fase de Griffiths Cuántica Inducida por el Desorden en el Próximo Líquido de Espín Cuántico de Kitaev Na2Co2TeO6

Los científicos detrás de este estudio decidieron investigar un material llamado Na2Co2TeO6 (llamémoslo NCTO para abreviar). Este material es famoso porque sus átomos están dispuestos en un patrón de panal, similar a un panal de abejas, que es el escenario perfecto para un "Líquido de Espín Cuántico de Kitaev". En este escenario ideal, los espines deberían fraccionarse en diminutas partículas fantasmales llamadas fermiones de Majorana. Pero hay un problema: los cristales reales nunca son perfectos. El NCTO tiene un defecto natural donde algunos átomos de sodio faltan o están situados en los lugares incorrectos. Esto es el "desorden".

Normalmente, los científicos piensan que el desorden es el enemigo. Esperan que, si se altera el patrón de panal, el delicado líquido cuántico colapse y los espines simplemente se congelen en un orden magnético estándar. Pero los autores de este artículo se hicieron una pregunta diferente: ¿Y si el desorden en realidad crea algo nuevo?

Para averiguarlo, utilizaron una técnica llamada RMN (Resonancia Magnética Nuclear). Piensa en la RMN como un estetoscopio supersensible que escucha el latido del corazón de los átomos dentro del cristal. Al enfriar el material desde la temperatura ambiente hasta apenas unos pocos grados por encima del cero absoluto, observaron cómo reaccionaban los espines.

Lo que encontraron es un cuento de dos mundos.

Cuando el material estaba caliente (entre 100 K y 10 K), los espines se comportaban exactamente como se esperaba de un líquido de espín cuántico. Estaban fraccionados y había una clara "brecha de energía" (energy gap), lo que significa que los espines necesitaban cierta cantidad de energía para excitarse. Era como un océano tranquilo y con brecha, donde las olas solo se forman si lanzas una piedra lo suficientemente grande.

Pero entonces, algo extraño sucedió al enfriarlo por debajo de los 10 K. El único océano tranquilo se dividió en dos canales distintos.

El carril lento: Un grupo de espines continuó comportándose como el océano tranquilo y con brecha. Todmente necesitaban energía para moverse, preservando la naturaleza "fraccionada" del líquido cuántico.
El carril rápido: El otro grupo de espines de repente se volvió salvaje. Empezaron a comportarse como un fluido "sin brecha" (gapless), donde incluso el más mínimo empujón podía hacerlos moverse. Su comportamiento seguía una regla llamada "ley de Korringa", que se ve habitualmente en los metales, no en estos exóticos líquidos cuánticos.

Esta división es la prueba irrefutable de lo que los autores llaman una Fase de Griffiths Cuántica. Imagina una ciudad donde algunos vecindarios están congelados en estado sólido (el carril lento), mientras que justo al lado, otros vecindarios están en una fiesta caótica de alta energía (el carril rápido). El desorden en el cristal —los átomos de sodio faltantes— actúa como un arquitecto caótico. Distorsiona los enlaces entre los átomos, creando un mosaico. Algunas áreas se vuelven "ricas en visones" (llenas de defectos de flujo magnético) y sin brecha, mientras que otras permanecen "pobres en visones" y con brecha.

El artículo descarta explícitamente la idea de que el material simplemente se congelara en un orden magnético estándar, como un patrón de zigzag, a bajas temperaturas. Si hubiera hecho eso, las señales de RMN habrían sido muy diferentes, con formas nítidas y predecibles. En cambio, las señales eran amplias y desordenadas, lo que solo un estado cuántico complejo y desordenado podría explicar. También descartaron la idea de que esto fuera simplemente un "vidrio de espín" (un desorden congelado y aleatorio), porque la forma en que los espines se relajaron no coincidía con los patrones de un vidrio.

Los investigadores utilizaron potentes simulaciones por computadora (cálculos DFT) para respaldar sus hallaciones. Construyeron un modelo virtual del cristal con los átomos faltantes y dejaron que la computadora relajara la estructura. La simulación mostró que los átomos faltantes retorcían naturalmente los enlaces entre los átomos de cobalto en aproximadamente un 3%, lo suficiente como para desordenar las fuerzas magnéticas en un 30%. Esto confirmó que el desorden era, de hecho, lo suficientemente fuerte como para crear el mosaico de regiones con y sin brecha.

Además, descubrieron fluctuaciones de espín "ultralentas". Mientras que el carril rápido era caótico, también había espines que se movían increíblemente lento, tardando microsegundos en girar. Estos movimientos lentos seguían una "ley de activación de Arrhenius", lo que significa que intentaban escalar una pequeña colina de energía de unos 4.9 K. Este es un sello distintivo de una fase de Griffiths, donde regiones raras y especiales del material se comportan de manera diferente al resto.

En resumen, el artículo sugiere que en el Na2Co2TeO6, el desorden no es un error; es una característica. En lugar de destruir el líquido de espín cuántico, las imperfecciones naturales del cristal lo remodelan en una "fase de Griffiths". Este es un estado donde el material es una mezcla dinámica de islas con brecha y mares sin brecha, que coexisten. Los autores concluyen que este estado impulsado por el desorden es una forma robusta y emergente de materia fraccionada, demostrando que incluso en un cristal desordenado, la extraña y hermosa física del mundo cuántico no solo puede sobrevivir, sino prosperar en una nueva forma heterogénea.

Resumen Técnico: Fase de Griffiths Cuántica Inducida por Desorden en el Líquido de Espín Cuántico Próximo Kitaev Na2Co2TeO6

Planteamiento del Problema
La identificación de líquidos de espín cuánticos (QSL) de tipo Kitaev en materiales reales se ve complicada por la presencia inevitable de imperfecciones en la red, orden magnético y perturbaciones aleatorias en los enlaces. Mientras que materiales como $\alpha$ -RuCl $_3$ y $\alpha$ -(Na,Li) $_2$ IrO $_3$ han establecido la fenomenología del magnetismo Kitaev próximo, sus estados fundamentales están típicamente dominados por un orden magnético de largo alcance (por ejemplo, antiferromagnetismo zigzag) en lugar de un QSL puro. Una cuestión abierta crítica es si el desorden, tradicionalmente visto como una fuerza desestabilizadora, puede en su lugar generar nuevas formas cualitativas de materia fraccionada. El Na $_2$ Co $_2$ TeO $_6$ (NCTO) presenta un caso único: es un imán de red de panal de metal de transición 3d cercano al límite de Kitaev, pero posee un desorden intrínseco sustancial en la ocupación de los sitios de Na. El desafío es determinar si este desorden simplemente perturba el sistema o si reorganiza activamente el sector de baja energía hacia un régimen fraccionado distinto.

Metodología
Los autores emplearon un enfoque multifacético combinando la resonancia magnética nuclear (NMR) experimental con modelado ab initio:

NMR Experimental: Se realizaron extensas mediciones de NMR de estado sólido de $^{23}$ $^{23}$ Na en NCTO policristalino en un rango de temperatura de 3–300 K en campos magnéticos de 4.7 T y 9.4 T. Las técnicas incluyeron:
- Análisis de la forma de línea de rotación ángulo mágico (MAS) y de línea estática para sondear configuraciones de espín estáticas.
- Mediciones de relajación de espín-red ( $T_1$ ) y espín-espín ( $T_2$ ) para caracterizar la dinámica de espín.
- Espectroscopia de correlación $T_1$ - $T_2$ y secuencias de pulso q-CPMG para resolver canales de relajación heterogéneos y fluctuaciones ultraslow.
Cálculos Ab Initio: Se utilizó la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) para relajar una supercelda de 2 $\times$ 2 $\times$ 2 de NCTO incorporando ocupaciones aleatorias de los sitios de Na derivadas de los datos de NMR. Esto permitió el cálculo de distribuciones en las longitudes de enlace Co-O y los ángulos Co-O-Co.
Simulación Espectral: Se simularon patrones de polvo de NMR ab initio para tres estados candidatos de la base (estado fundamental): antiferromagnetismo (AFM) zigzag, AFM triple- $q$ , y un estado de tipo QSL, para comparar contra los espectros experimentales de baja temperatura.

Resultos Clave

Aleatoriedad de Enlace Inducida por Desorden: La relajación DFT de la supercelda desordenada reveló que la ocupación aleatoria de Na induce variaciones espaciales significativas en los ángulos y longitudes de enlace Co-O-Co (~3–4% de variación). Utilizando un modelo fenomenológico, estas distorsiones estructurales se traducen en fluctuaciones de ~30% en las constantes de acoplamiento de intercambio de Kitaev ( $K$ ), creando efectivamente un sistema de Kitaev de enlaces aleatorios.
Estado Fundamental de Tipo QSL: A bajas temperaturas (3 K) y campos altos (9.4 T), las formas de línea de $^{23}$ Na estáticas experimentales son anchas, de pico único y gaussianas. Las simulaciones ab initio demuestran que solo un modelo QSL reproduce esta forma espectral y su anchura (~40,000 ppm). En contraste, los modelos de AFM zigzag y triple- $q$ producen características de meseta o estructuras de borde distintas que no se observan experimentalmente, descartando un estado fundamental ordenado estático simple bajo estas condiciones.
Bifurcación de Canales de Relajación: La tasa de relajación espín-red ( $1/T_1$ $1/ T_{1}$ ) exhibe una dependencia de temperatura distintiva:
- 100 K – 10 K: $1/T_1$ sigue un perfil cóncavo consistente con excitaciones de espín fraccionadas con brecha (fermiones de Majorana), ajustándose a una ley activada con una brecha $\Delta \approx 35$ K.
- Por debajo de 10 K: La relajación se bifurca en dos canales distintos. Un componente de relajación lenta preserva el comportamiento activado con brecha. Un componente de relajación rápida emerge, obedeciendo una ley tipo Korringa ( $1/T_1 T \approx \text{const}$ ), indicativa de excitaciones de espín casi sin brecha, similares a un líquido de Fermi.
Dinámica Ultraslow: Por debajo de 10 K, las distribuciones de $T_2$ se ensanchan y dividen, revelando fluctuaciones de espín ultraslow en la escala de tiempo de microsegundos. Estas fluctuaciones siguen una ley de activación de Arrhenius con una barrera de energía $U/k_B \approx 4.9$ K.
Independencia de Campo: El comportamiento de relajación de doble canal persiste a 4.7 T (donde ocurre una transición PM-AFM en $T_N \approx 27$ K), lo que sugiere que la dinámica de tipo Griffiths domina el sector de baja energía incluso en presencia de parches de orden magnético.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma que el NCTO realiza una Fase de Griffiths Cuántica impulsada por el desorden. En lugar de destruir el estado de Kitaev, el desorden intrínseco de los sitios de Na actúa como un principio organizador que redefine la densidad de estados de baja energía. Los autores proponen una imagen de "mosaico" donde el sistema consiste en:

Islas pobres en visones: Regiones que retienen excitaciones fraccionadas con brecha (relajación lenta).
Regiones ricas en visones: Regiones raras donde el desorden cierra la brecha de flujo, generando un continuo de estados de baja energía, casi sin brecha (relajación rápida, tipo Korringa).

Este trabajo proporciona evidencia experimental directa de que el desorden puede generar una fase fraccionada de tipo Griffiths dinámicamente heterogénea. Sugiere que la coexistencia de excitaciones fraccionadas con y sin brecha en el espacio real es una característica robusta de los sistemas de Kitaev desordenados, ofreciendo una nueva perspectiva sobre la estabilidad y la naturaleza de los líquidos de espín cuánticos en presencia de aleatoriedad estructural. Los hallazgos se alinean con las predicciones teóricas para modelos de Kitaev con desorden de enlace, donde el desorden reemplaza las brechas agudas con continuos de ley de potencia, estabilizando una fase de Griffiths que sobrevive hasta las temperaturas más bajas.

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