Não é todo dia que alguém se depara com um novo estado da matéria na física quântica, o campo científico dedicado a descrever o comportamento de partículas atômicas e subatômicas para elucidar suas propriedades.
No entanto, é exatamente isso que uma equipe internacional de pesquisadores que inclui Andrea Bianchi, professor de física da Universidade de Montreal e pesquisador do Regroupement québécois sur les materiaisux de pointe, e seus alunos Avner Fitterman e Jérémi Dudemaine.
Em um artigo recente publicado na revista científicaPhysical Review X, os pesquisadores documentam um “estado fundamental líquido de spin quântico” em um material magnético criado no laboratório de Bianchi: Ce2Zr2O7, um composto composto de cério, zircônio e oxigênio.
Como um líquido trancado dentro de um sólido extremamente frio
Na física quântica, o spin é uma propriedade interna dos elétrons ligada à sua rotação. É a rotação que dá ao material em um ímã suas propriedades magnéticas.
Em alguns materiais, o spin resulta em uma estrutura desorganizada semelhante à das moléculas em um líquido, daí a expressão “spin liquid”.
Em geral, um material se torna mais desorganizado à medida que sua temperatura aumenta. Este é o caso, por exemplo, quando a água se transforma em vapor. Mas a principal característica dos líquidos de spin é que eles permanecem desorganizados mesmo quando resfriados até o zero absoluto (-273°C).
Os líquidos de spin permanecem desorganizados porque a direção do spin continua a flutuar à medida que o material é resfriado em vez de se estabilizar no estado sólido, como ocorre em um ímã convencional, no qual todos os spins são alinhados.
A arte de ‘frustrar’ elétrons
Imagine um elétron como uma pequena bússola que aponta para cima ou para baixo. Nos ímãs convencionais, os spins dos elétrons são todos orientados na mesma direção, para cima ou para baixo, criando o que é conhecido como “fase ferromagnética”. Isto é o que mantém fotos e notas fixadas em sua geladeira.
Mas em líquidos de spin quântico, os elétrons são posicionados em uma rede triangular e formam um “ménage à trois” caracterizado por intensa turbulência que interfere em sua ordem. O resultado é uma função de onda emaranhada e nenhuma ordem magnética.
“Quando um terceiro elétron é adicionado, os spins do elétron não podem se alinhar porque os dois elétrons vizinhos devem sempre ter spins opostos, criando o que chamamos de frustração magnética”, explicou Bianchi. “Isso gera excitações que mantêm a desordem dos spins e, portanto, o estado líquido, mesmo em temperaturas muito baixas.”
Então, como eles adicionaram um terceiro elétron e causaram tanta frustração?
Criando um ménage à trois
Digite o ímã frustrado Ce2Zr2O7 criado por Bianchi em seu laboratório. À sua já longa lista de realizações no desenvolvimento de materiais avançados como supercondutores, agora podemos acrescentar “mestre na arte de ímãs frustrantes”.
Ce2Zr2O7 é um material à base de cério com propriedades magnéticas. “A existência desse composto era conhecida”, disse Bianchi. “Nosso avanço foi criá-lo em uma forma única e pura. Usamos amostras derretidas em um forno óptico para produzir um arranjo triangular quase perfeito de átomos e, em seguida, verificamos o estado quântico.”
Foi esse triângulo quase perfeito que permitiu que Bianchi e sua equipe na UdeM criassem uma frustração magnética em Ce2Zr2O7. Trabalhando com pesquisadores das universidades McMaster e Colorado State, do Los Alamos National Laboratory e do Max Planck Institute for the Physics of Complex System em Dresden, Alemanha, eles mediram a difusão magnética do composto.
“Nossas medições mostraram uma função de partícula sobreposta – portanto, sem picos de Bragg – um sinal claro da ausência da ordem magnética clássica”, disse Bianchi. “Também observamos uma distribuição de spins com direções continuamente flutuantes, o que é característico de líquidos de spin e frustração magnética. Isso indica que o material que criamos se comporta como um líquido de spin verdadeiro em baixas temperaturas.”
Do sonho à realidade
Depois de corroborar essas observações com simulações de computador, a equipe concluiu que eles estavam realmente testemunhando um estado quântico nunca antes visto.
“Identificar um novo estado quântico da matéria é um sonho tornado realidade para todo físico”, disse Bianchi. “Nosso material é revolucionário porque somos os primeiros a mostrar que ele pode realmente se apresentar como um líquido de spin. Essa descoberta pode abrir as portas para novas abordagens no projeto de computadores quânticos.”
Ímãs frustrados em poucas palavras
O magnetismo é um fenômeno coletivo no qual os elétrons de um material giram todos na mesma direção. Um exemplo cotidiano é o ferroímã, que deve suas propriedades magnéticas ao alinhamento dos spins. Os elétrons vizinhos também podem girar em direções opostas. Neste caso, os spins ainda possuem direções bem definidas, mas não há magnetização. Ímãs frustrados ficam frustrados porque os elétrons vizinhos tentam orientar seus spins em direções opostas e, quando se encontram em uma rede triangular, não conseguem mais se estabelecer em um arranjo comum e estável. O resultado: um ímã frustrado.
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