Las simulaciones cuánticas revelan un comportamiento exótico de los electrones en campos magnéticos extremos
Los campos magnéticos de las enanas blancas pueden alcanzar alrededor de 100 000 T, una cifra enorme imposible de reproducir en el laboratorio. La comprensión teórica detallada de los campos fuertes y la maquinaria computacional que puede manejarlos contribuyen a la precisión de los cálculos del comportamiento de los campos débiles, lo cual resulta esencial para impulsar no solo la investigación científica sino también las aplicaciones en el mundo real. «Los campos magnéticos creados en los laboratorios son lo suficientemente débiles para afectar a los enlaces químicos de moléculas pequeñas. Sin embargo, existe un mecanismo de efecto de tamaño que asocia el impacto de los campos fuertes en moléculas pequeñas con el de los campos mucho más débiles en moléculas más grandes», explica Erik Tellgren, coordinador de MAGSPEC, un proyecto financiado por las Acciones Marie Skłodowska-Curie.
La dinámica de los electrones en campos magnéticos constantes y variables
«La química y la física molecular pueden diferir drásticamente en presencia de un campo magnético fuerte. Los estados electrónicos pueden cambiar su carácter. Hemos desarrollado con éxito métodos de química computacional para estudiar los estados excitados y las características del espectro de emisiones», señala Tellgren. El equipo derivó ecuaciones fundamentales que amplían la funcionalidad de LONDON, un paquete de «software» que utiliza orbitales atómicos tipo London y gaussianos para simular sistemas moleculares en campos magnéticos fuertes. Los investigadores también utilizaron el código para simular los estados excitados de los electrones en moléculas pequeñas sometidas a campos magnéticos constantes (uniformes) o variables. «Los campos magnéticos que varían en el espacio podrían dar lugar a fenómenos exóticos que imitan los efectos de la relatividad especial», añade Tellgren. «Los resultados del estudio muestran cómo un campo magnético variables provoca la interacción espín-órbita, una interacción relativista del espín de los electrones con su movimiento».
Los electrones rompen las leyes de la química conocida
Los investigadores adaptaron un modelo conocido como teoría de Hartree-Fock para describir los estados fundamentales de los electrones y adecuaron la aproximación de fase aleatoria a los campos magnéticos fuertes para describir los estados excitados. Los resultados mostraron que, al aumentar la intensidad del campo, los estados fundamentales pasaron de ser singletes de capa cerrada a unos estados de una mayor multiplicidad. Se comprobó que los estados excitados son más sensibles a los cambios en los campos magnéticos. Las moléculas polares, como el hidruro de litio, sometidas a campos más débiles eran más propensas a cambiar su estado electrónico. Un mecanismo fascinante que podría verificarse es que un campo magnético no uniforme induce densidades de espines no colineales, lo que significa que la dirección del espín varía en el espacio para alinearse con el campo magnético local. Si solo existieran los efectos del campo magnético, esta alineación habría sido perfecta. Sin embargo, los electrones interactúan entre sí y con los núcleos atómicos, por lo que la alineación real constituye una compleja competición entre las fuerzas magnéticas y los efectos químicos. Las fuerzas magnéticas también rompen las simetrías que suelen aplicarse a los espines electrónicos. Una consecuencia es que las transiciones entre los estados fundamentales y excitados, que normalmente están prohibidas, ahora se permiten debido a las simetrías incompatibles de espín. Los investigadores también estudiaron cómo los campos magnéticos no uniformes inducen una propiedad exótica —conocida como momento dipolar toroidal— en el estado fundamental y examinaron las contribuciones relativas del espín y del movimiento orbital. A fin de ampliar el ámbito original del proyecto, los investigadores trataron de adaptar y perfeccionar uno de los métodos computacionales más populares —la teoría del funcional de la densidad— para las moléculas en campos magnéticos fuertes. «Nuestra investigación ofrece atisbos prometedores de la química exótica de los átomos y las moléculas en campos magnéticos fuertes, mientras que estos proporcionan una prueba de tensión para la química cuántica. Una mayor comprensión de la forma en que los campos magnéticos fuertes afectan a los átomos y a las moléculas pequeñas podría ayudar, además, a interpretar los espectros magnéticos de las enanas blancas y a revelar posibles nuevos enlaces químicos que no existen en la Tierra», concluye Tellgren.
Palabras clave
MAGSPEC, campo magnético, electrón, enana blanca, moléculas pequeñas, enlaces químicos, química computacional, interacción espín-órbita, química cuántica