Em 1966, o físico japonês Yosuke Nagaoka previu a existência de um fenômeno bastante marcante: o ferromagnetismo de Nagaoka. Sua teoria rigorosa explica como os materiais podem se tornar magnéticos, com uma ressalva: as condições específicas que ele descreveu não surgem naturalmente em nenhum material. Pesquisadores da QuTech, uma colaboração entre TU Delft e TNO, agora observaram assinaturas experimentais do ferromagnetismo de Nagaoka usando um sistema quântico projetado. Os resultados foram publicados na Nature.
Ímãs familiares como os da geladeira são um exemplo cotidiano de um fenômeno chamado ferromagnetismo. Cada elétron tem uma propriedade chamada ‘spin’, que faz com que ele se comporte como um minúsculo ímã. Em um ferro-ímã, os giros de muitos elétrons se alinham, combinando-se em um grande campo magnético. Parece um conceito simples, mas Nagaoka previu um mecanismo novo e surpreendente pelo qual o ferromagnetismo poderia ocorrer – um mecanismo que nunca havia sido observado em nenhum sistema antes.
Quebra-cabeça infantil
“Para entender a previsão de Nagaoka, imagine o jogo infantil mecânico simples chamado quebra-cabeça deslizante”, disse JP Dehollain, que realizou os experimentos em conjunto com Uditendu Mukhopadhyay. “Este quebra-cabeça consiste em uma grade de peças por quatro a quatro, com um único slot vazio para permitir que as peças deslizem para resolver o quebra-cabeça. Em seguida, pense no ímã Nagaoka como uma treliça quadrada bidimensional semelhante, onde cada o ladrilho é um elétron. Os elétrons se comportam como os ladrilhos do jogo infantil, arrastando-se pela treliça.”
Se os spins dos elétrons não estiverem alinhados (ou seja, cada bloco possui uma seta apontando em uma direção diferente em nossa analogia), os elétrons formarão um arranjo diferente após cada shuffle. Por outro lado, se todos os elétrons estiverem alinhados (todas as peças têm setas apontando na mesma direção), o quebra-cabeça sempre permanece o mesmo, independentemente de como os elétrons sejam embaralhados. “Nagaoka descobriu que o alinhamento das rotações dos elétrons resulta em uma energia mais baixa do sistema”, disse Dehollain. “Como conseqüência, o sistema de uma rede quadrada em 2-D que tem um elétron ausente naturalmente prefere estar em um estado no qual todos os spins de elétrons estão alinhados – um estado ferromagnético de Nagaoka”.
Ímã DIY
Os pesquisadores observaram, pela primeira vez na história, assinaturas experimentais do ferromagnetismo de Nagaoka. Mukhopadhyay: “Conseguimos isso criando um dispositivo eletrônico com a capacidade de “prender” elétrons únicos. Esses dispositivos chamados de pontos quânticos têm sido usados em experimentos científicos há algum tempo, mas nosso desafio era criar uma estrutura bidimensional de quatro pontos quânticos altamente controláveis. Para que esses dispositivos funcionem, precisamos construir um circuito elétrico em escala nanométrica, resfriá-lo até o zero quase absoluto (-272,99 °C) e medir minúsculos sinais elétricos”.
“Nosso próximo passo foi aprisionar três elétrons e permitir que eles se movimentassem dentro da rede dois por dois, criando as condições específicas necessárias para o ferromagnetismo de Nagaoka”, disse Mukhopadhyay. “Tivemos que demonstrar que essa rede realmente se comporta como um ímã. O campo magnético gerado por três elétrons é muito pequeno para ser detectado pelos métodos convencionais; portanto, usamos um sensor elétrico muito sensível que pode ‘decifrar’ a orientação de rotação do elétrons e convertê-lo em um sinal elétrico que pudéssemos medir no laboratório. Dessa forma, pudemos determinar se os spins dos elétrons estavam ou não alinhados conforme o esperado.”
O quebra-cabeça resolvido
“Os resultados foram claros: demonstramos o ferromagnetismo de Nagaoka”, disse Lieven Vandersypen, pesquisador principal e co-diretor do Instituto Kavli de Nanociência. “Quando começamos a trabalhar nesse projeto, eu não tinha certeza se o experimento seria possível, porque a física é muito diferente de qualquer outra coisa que já estudamos em nosso laboratório. Mas nossa equipe conseguiu criar as condições experimentais certas para ferromagnetismo de Nagaoka, e demonstramos a robustez do sistema de pontos quânticos”.
Embora esse sistema de pequena escala esteja longe de ter implicações na vida cotidiana, é um marco importante para a realização de sistemas de maior escala, como computadores quânticos e simuladores quânticos. Vandersypen disse: “Tais sistemas permitem o estudo de problemas complexos demais para serem resolvidos com os supercomputadores mais avançados da atualidade, por exemplo, processos químicos complexos. Experimentos de prova de princípio, como a realização do ferromagnetismo de Nagaoka, fornecem orientações importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos e simuladores do futuro”.
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