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Os líquidos de spin quântico são difíceis de explicar e ainda mais difíceis de entender.
Para começar, eles não têm nada a ver com líquidos do dia a dia, como água ou suco, mas tudo a ver com ímãs especiais e como eles giram. Em ímãs normais, quando a temperatura cai, o spin dos elétrons essencialmente congela e forma um pedaço sólido de matéria. Em líquidos de spin quântico, entretanto, o spin dos elétrons não congela – em vez disso, os elétrons permanecem em um estado de fluxo constante, como aconteceriam em um líquido de fluxo livre.
Os líquidos de spin quântico são um dos estados quânticos mais emaranhados concebidos até hoje, e suas propriedades são fundamentais em aplicações que os cientistas dizem que poderiam catapultar as tecnologias quânticas. Apesar de uma busca por eles durante 50 anos e de múltiplas teorias apontando para sua existência, ninguém jamais viu evidências definitivas deste estado da matéria. Na verdade, os pesquisadores talvez nunca vejam essas evidências devido à dificuldade de medir diretamente o emaranhado quântico, um fenômeno que Albert Einstein chamou de “ação assustadora à distância”. É aqui que dois átomos se ligam e são capazes de trocar informações, não importa quão distantes estejam.
O mistério em torno dos líquidos de spin quântico levou a grandes questões sobre este material exótico na física da matéria condensada que até agora ficaram sem resposta. Mas em um novo artigo em Comunicações da Naturezauma equipe de físicos liderada pela Universidade Brown começa a esclarecer uma das questões mais importantes, e o faz introduzindo uma nova fase da matéria.
Tudo se resume à desordem.
Kemp Plumb, professor assistente de física na Brown e autor sênior do novo estudo, explica que “todos os materiais em algum nível apresentam desordem” e que a desordem tem a ver com o número de maneiras microscópicas pelas quais os componentes de um sistema podem ser organizados. Um sistema ordenado, como um cristal sólido, tem poucas maneiras de reorganizá-lo, por exemplo, enquanto um sistema desordenado, como um gás, não possui nenhuma estrutura real.
Nos líquidos de spin quântico, a desordem introduz discrepâncias que essencialmente colidem com a teoria por trás dos líquidos. Uma explicação predominante era que quando a desordem é introduzida, o material deixa de ser um líquido de spin quântico e passa a ser simplesmente um ímã que está em estado de desordem. “Portanto, a grande questão era se o estado líquido de spin quântico sobrevive na presença de desordem e, se sobreviver, como?” Plumb disse.
Os pesquisadores abordaram a questão usando alguns dos raios X mais brilhantes do mundo para analisar ondas magnéticas no composto que estudaram em busca de assinaturas reveladoras de que se trata de um líquido de spin quântico. As medições mostraram que não apenas o material não se ordena magneticamente (ou congela) em baixas temperaturas, mas que a desordem presente no sistema não imita ou destrói o estado líquido quântico.
Isso altera significativamente, eles descobriram.
“O estado líquido quântico sobrevive”, disse Plumb. “Ele não faz o que você esperaria que um ímã normal fizesse, onde apenas congela. Ele permanece neste estado dinâmico, mas é como uma versão descorrelacionada desse estado dinâmico. Nossa interpretação agora é que o líquido de spin quântico é dividido em pequenas poças em todo o material.”
As descobertas sugerem essencialmente que o material que analisaram, que é um dos principais candidatos a ser um líquido de spin quântico, parece estar próximo de um, mas com um componente adicional. Os pesquisadores postulam que se trata de um líquido de spin quântico desordenado, tornando-o uma nova fase de matéria desordenada.
“Uma coisa que poderia ter acontecido neste material é que ele se tornou uma versão desordenada de um estado líquido de spin não quântico, mas nossas medições teriam nos dito isso”, disse Plumb. “Em vez disso, nossas medições mostram que é algo muito diferente”.
Os resultados aprofundam a compreensão de como a desordem afeta os sistemas quânticos e como explicá-la, o que é importante à medida que esses materiais são explorados para uso na computação quântica.
O trabalho faz parte de uma longa linha de pesquisa sobre estados magnéticos exóticos do laboratório de Plumb em Brown. O estudo se concentra no composto H3LiIr2O6, um material considerado o que melhor se adapta ao arquétipo por ser um tipo especial de líquido de spin quântico chamado líquido de spin Kitaev. Embora seja conhecido por não congelar em temperaturas frias, o H3LiIr2O6 é notoriamente difícil de produzir em laboratório e é conhecido por apresentar desordem, confundindo se era realmente um líquido de spin.
Os pesquisadores de Brown trabalharam com colaboradores do Boston College para sintetizar o material e depois usaram o poderoso sistema de raios X do Laboratório Nacional de Argonne, em Illinois, para lançá-lo com luz de alta energia. A luz excita as propriedades magnéticas do composto, e as medições provenientes das ondas que ela produz são uma solução alternativa para medir o emaranhamento, porque o método oferece uma maneira de observar como a luz influencia todo o sistema.
Os pesquisadores esperam continuar a expandir o trabalho, refinando os métodos, o próprio material e examinando diferentes materiais.
“A maior coisa daqui para frente é algo que temos feito, que continua a pesquisar o vasto espaço de materiais que a tabela periódica nos oferece”, disse Plumb. “Agora temos uma compreensão mais profunda de como as diferentes combinações de elementos que reunimos podem afetar as interações ou dar origem a diferentes tipos de desordem que afetarão o líquido de spin. Temos mais orientações, o que é muito importante porque realmente é um espaço de pesquisa realmente vasto.”
Outros autores de Brown incluem Alberto de la Torre Duran, ex-bolsista de pós-doutorado no laboratório Plumb, e Ben Zager, atual estudante de pós-graduação. Este trabalho foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, que opera o Laboratório Nacional de Argonne.
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