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Investigadores de la Universidad de Zaragoza y del Instituto BIFI publican en Nature Physics los fenómenos de rejuvenecimiento y memoria en los vidrios de espín

Este artículo es un nuevo éxito de la Janus Collaboration, en la que se encuentra, entre otros expertos nacionales e internacionales, el premio Nobel de Física en 2021, Giorgio Parisi

El superordenador especial Janus II, ubicado en el Instituto BIFI, ha permitido alcanzar tiempos de simulación y tamaños de retículo que han hecho posible encontrar escalas de longitud nunca conseguidas hasta la fecha

(Zaragoza, jueves, 4 de mayo de 2023). Investigadores de la Universidad de Zaragoza y del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI-Unizar) publican en la revista Nature Physics los fenómenos de rejuvenecimiento y memoria en los vidrios de espín, lo que abre un nuevo enfoque de exploración dentro del campo de estos sistemas magnéticos que representan la complejidad en Física.
 
Este artículo es un nuevo éxito de la Janus Collaboration, en la que se encuentra, entre otros expertos nacionales e internacionales, el premio Nobel de Física en 2021, Giorgio Parisi. El superordenador especial Janus II, ubicado en el Instituto BIFI, ha permitido alcanzar tiempos de simulación y tamaños de retículo que han hecho posible encontrar escalas de longitud nunca conseguidas hasta la fecha.
 
A pesar de que de momento no se ha implementado ninguna aplicación práctica de estos sistemas, la importancia de los vidrios de espín va más allá de la ciencia de materiales, pues existen otros campos donde se ha aplicado la física desarrollada para estos sistemas, por ejemplo en biología molecular, en evolución prebiótica, en redes neuronales, en dinámica conformacional de proteínas y su plegamiento, en el estudio de propiedades macroscópicas de superconductores a alta temperatura en un campo magnético, en algoritmos de encriptación, en teoría de la información o en problemas de optimización en ciencias de la computación.
 
En este estudio se han reproducido los dos fenómenos más característicos relacionados con el envejecimiento de estos sistemas a bajas temperaturas, la Memoria y el Rejuvenecimiento en los vidrios de espín, que han sido estudiados desde hace más de 30 años, encontrando por primera vez nuestras simulaciones una explicación fehaciente y exhaustiva que reproduce los resultados experimentales.
 
La investigación ha puesto de manifiesto que la lenta dinámica de envejecimiento que sufren estos sistemas está dominada por al menos tres escalas de longitud diferentes, cuando hasta ahora se creía que era una única longitud de correlación la que regía su comportamiento.
 
Recientemente, la revista Nature Physics ha publicado un artículo de investigación titulado "Memory and rejuvenation in spin glasses: aging systems are ruled by more than one length scale" en el que han participado (en orden alfabético) Andrés Cruz, José Miguel Gil Narvión, David Íñiguez Dieste, Javier Moreno Gordo, Denis Navarro, Sergio Pérez Gaviro y Alfonso Tarancón Lafita, investigadores del Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos (BIFI) y de la Universidad de Zaragoza. Este trabajo ha sido realizado en colaboración con investigadores de la Universidad Complutense de Madrid y la Universidad de Extremadura, en España, la Università di Roma - La Sapienza y Università di Ferrara, en Italia, así como con investigadores de prestigiosas instituciones estadounidenses y suizas.
 
La Janus Collaboration, formada por los investigadores de las instituciones antes mencionadas, y entre los que se encuentra el Prof. Giorgio Parisi, premio Nobel de Física en 2021, ha vuelto a marcar otro hito importante en el estudio de los vidrios de espín, paradigma de los sistemas complejos. Para ello, ha sido esencial nuestro ordenador de propósito especial Janus II, ubicado en el Instituto BIFI (para más detalles, visitar https://www.janus-computer.com/), que nos ha permitido alcanzar tiempos de simulación y tamaños de retículo que han hecho posible encontrar escalas de longitud nunca conseguidas hasta la fecha.
 
¿Qué son los vidrios de espín?
Los vidrios de espín son materiales magnéticos que se obtienen al sustituir al azar, y en una proporción muy pequeña, átomos de un metal noble que hace de anfitrión, como el cobre o el oro, por átomos magnéticos de un metal de transición, como el hierro o el manganeso (los primeros vidrios de espín fueron aleaciones CuMn a mediados de los años 50). Estos átomos magnéticos, que llamaremos momentos magnéticos o espines, interaccionan entre ellos positiva o negativamente en función de la distancia a la que se encuentran dentro del metal anfitrión. El hecho de que los átomos magnéticos estén físicamente situados de forma aleatoria produce entonces lo que se conoce como frustración, es decir, podemos encontrar diferentes configuraciones de espines energéticamente idénticas, no favorecidas unas respecto de otras, lo que provoca que la dinámica de los vidrios de espín sea extremadamente lenta a baja temperatura.
 
Estas dos propiedades, la aleatoriedad y la frustración, hacen que los vidrios de espín se presenten en un estado completamente desordenado y "congelado" a bajas temperaturas, alejándose de los patrones ordenados uniformes de sistemas magnéticos convencionales (como podríamos encontrar en un "imán de nevera"). Esto los ha convertido en el paradigma de los sistemas complejos.
 
Los vidrios de espín presentan dos características peculiares, llamadas Rejuvenecimiento y Memoria, relacionadas con su evolución cuando se producen cambios de temperatura a bajas temperaturas. Dejando al sistema evolucionar a una temperatura dada vemos cómo envejece. Si, en un determinado momento, bajamos bruscamente la temperatura, entonces el sistema parece rejuvenecer, es decir, el sistema reacciona como si su edad efectiva fuera menor. Sin embargo, si ahora subimos bruscamente la temperatura a su valor anterior, entonces el sistema parece recordar en qué punto dejó su envejecimiento a esa temperatura inicial y lo continua desde ese valor, teniendo así memoria del pasado.
 
Se adjunta la siguiente imagen: cover_figure_proposal_NatPhys2023