La estructura de los átomos de hidrógeno (círculos negros) en los átomos de oxígeno(círculos blancos) en el hielo

Se le conoce como hielos de espín a la propiedad que tienen los cristales puros de hielo formados del agua ó cualquier otro material con estructura similar, donde la estructura atómica permite una entropía residual diferente a cero. Estas estructuras originalmente postuladas por Linus Pauling en 1935, han servido para demostrar las propiedades del tan buscado monopolo magnético en septiembre de 2009. Los cristales de los hielos de espín se caracterizan por tener una estructura tetraédrica con un átomo central más próximo a un par de átomos que de los otros dos.

Descripción técnica

En 1935, Linus Pauling notó que la estructura del hielo (por ejemplo la fase sólida del agua), exhibía grados de libertad que podrían existir incluso en cero absoluto. Esto es, que incluso al enfriar agua a cero absoluto, se esperaría que el hielo tuviera una entropía residual (por ejemplo, aleatoriedad intrínseca). Esto es el resultado de que la estructura del hielo contiene átomos de oxígeno con cuatro átomos de hidrógeno vecinos. Para cada átomo de oxígeno, dos de los hidrógenos se encuentran más cerca (formando la molécula tradicional de H₂O), y los otros dos se encuentran mas alejados (siendo los átomos de hidrógeno vecinos de las moléculas de agua). Lo que Pauling notó fue que el número de configuraciones que se conformaban con esta regla de "dos adentro dos afuera" no era trivial, y, por lo tanto, no se esperaba que la entropía del hielo fuera trivial. Los hallazgos de Pauling fueron confirmados por experimentación, aunque los cristales de hielo puro de agua son particularmente difíciles de crear.

Los hielos de espín son materiales que consisten en un tetraedro de iones, de los cuales cada uno no posee un spin de cero, que a su vez satisface la regla dos-adentro, dos-afuera análogo al hielo debido a las interacciones entre iones adyacentes.

Los materiales de hielo de espín presentan las mismas propiedades residuales que el hielo de agua. Sin embargo, dependiendo del material en uso del hielo de espín, es mas fácil crear materiales de hielos de espín que hielos de espín de agua. Además, la interacción de un campo magnético con los espines en un material de hielo de espín convierten a los materiales de hielos de espín en mejores materiales para examinar la entropía residual que en el hielo de agua.