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Triplons são pequenas coisas complicadas. Experimentalmente, eles são extremamente difíceis de observar. E mesmo assim, os pesquisadores costumam realizar testes em materiais macroscópicos, nos quais as medições são expressas como uma média de toda a amostra.
É aí que os materiais quânticos projetados oferecem uma vantagem única, diz Robert Drost, pesquisador da Academia, primeiro autor de um artigo publicado em Cartas de revisão física em 22 de agosto. Esses materiais quânticos projetados permitem que os pesquisadores criem fenômenos não encontrados em compostos naturais, permitindo, em última análise, a realização de excitações quânticas exóticas.
‘Esses materiais são muito complexos. Eles oferecem uma física muito emocionante, mas os mais exóticos também são difíceis de encontrar e estudar. Portanto, estamos tentando uma abordagem diferente aqui, construindo um material artificial usando componentes individuais”, diz o professor Peter Liljeroth, chefe do grupo de pesquisa em física em escala atômica da Universidade Aalto.
Os materiais quânticos são governados pelas interações entre os elétrons no nível microscópico. Essas correlações eletrônicas levam a fenômenos incomuns, como supercondutividade em alta temperatura ou estados magnéticos complexos, e as correlações quânticas dão origem a novos estados eletrônicos.
No caso de dois elétrons, existem dois estados emaranhados conhecidos como estados singleto e triplo. Fornecer energia ao sistema eletrônico pode excitá-lo do estado singleto para o estado tripleto. Em alguns casos, esta excitação pode propagar-se através de um material numa onda de emaranhamento conhecida como triplon. Essas excitações não estão presentes em materiais magnéticos convencionais, e medi-las permanece um desafio em aberto em materiais quânticos.
Os experimentos triplon da equipe
No novo estudo, a equipe usou pequenas moléculas orgânicas para criar um material quântico artificial com propriedades magnéticas incomuns. Cada uma das moléculas de cobalto-ftalocianina usadas no experimento contém dois elétrons de fronteira.
“Usando blocos de construção moleculares muito simples, somos capazes de projetar e sondar este complexo ímã quântico de uma forma que nunca foi feita antes, revelando fenômenos não encontrados em suas partes independentes”, diz Drost. ‘Embora excitações magnéticas em átomos isolados tenham sido observadas há muito tempo usando espectroscopia de varredura por tunelamento, isso nunca foi realizado com triplons de propagação.’
“Usamos essas moléculas para agrupar elétrons, embalamo-los em um espaço apertado e os forçamos a interagir”, continua Drost. ‘Olhando para tal molécula de fora, veremos a física conjunta de ambos os elétrons. Como o nosso bloco de construção fundamental contém agora dois eletrões, em vez de um, vemos um tipo de física muito diferente.’
A equipe monitorou as excitações magnéticas primeiro em moléculas individuais de cobalto-ftalocianina e mais tarde em estruturas maiores, como cadeias moleculares e ilhas. Começando com o que é muito simples e trabalhando no sentido de aumentar a complexidade, os pesquisadores esperam compreender o comportamento emergente em materiais quânticos. No presente estudo, a equipe conseguiu demonstrar que as excitações singleto-tripleto de seus blocos de construção podem atravessar redes moleculares como quasipartículas magnéticas exóticas conhecidas como triplons.
‘Mostramos que podemos criar uma excitação magnética quântica exótica em um material artificial. Esta estratégia mostra que podemos projetar racionalmente plataformas de materiais que abrem novas possibilidades em tecnologias quânticas”, diz o professor assistente Jose Lado, um dos coautores do estudo, que dirige o grupo de pesquisa de Materiais Quânticos Correlacionados na Universidade Aalto.
A equipe planeja estender sua abordagem para blocos de construção mais complexos para projetar outras excitações magnéticas exóticas e pedidos em materiais quânticos. O design racional a partir de ingredientes simples não só ajudará a compreender a física complexa dos sistemas de elétrons correlacionados, mas também estabelecerá novas plataformas para materiais quânticos projetados.
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