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Um líquido de spin quântico 3D foi descoberto nas proximidades de um membro da família langbeinita. A estrutura cristalina específica do material e as interações magnéticas resultantes induzem um comportamento incomum que pode ser rastreado até uma ilha de liquidez. Uma equipe internacional fez essa descoberta com experimentos na fonte de nêutrons do ISIS e modelagem teórica em uma amostra de níquel-langbeinita.
Quando os spins em uma rede cristalina não conseguem se alinhar para atingir uma energia mínima juntos, isso é chamado de frustração magnética. Se essa frustração se torna grande o suficiente, os spins continuam a flutuar de forma desordenada, mesmo quando a temperatura se aproxima de zero e o material se comporta como um líquido de spin quântico. Líquidos de spin quânticos (QSLs) têm propriedades notáveis, incluindo fenômenos topologicamente protegidos, potencialmente úteis, por exemplo, para qubits futuros, particularmente estáveis. Inicialmente, líquidos de spin quânticos eram estudados principalmente em estruturas bidimensionais, mas o fenômeno também pode ocorrer em estruturas 3D, embora com muito menos frequência.
A busca pela frustração
Uma colaboração internacional demonstrou esse comportamento em uma nova classe de materiais com estrutura 3D: langbeinitas são minerais de sulfato, raramente encontrados na natureza; a substituição de um ou dois elementos na fórmula da soma produz variações que pertencem todas a essa classe de materiais.
Cristais artificiais de langbeinita com fórmula molecular K2Em2(ENTÃO4)3 foram criados para o estudo. O elemento magnético níquel desempenha um papel fundamental aqui: os íons de níquel formam duas chamadas redes de trillium que são entrelaçadas uma com a outra. Isso cria a frustração magnética desejada, que é ainda mais aprimorada quando um campo magnético externo é aplicado: os momentos magnéticos dos íons de níquel não podem se alinhar de forma energeticamente favorável, mas flutuam e formam um líquido de spin quântico.
Dados e teoria de nêutrons: uma combinação quase perfeita
A equipe liderada por Ivica Živković na EPFL foi capaz de medir as flutuações magnéticas na fonte de nêutrons britânica ISIS em Oxford. As amostras se comportam como um líquido de spin quântico, não apenas em temperaturas extremamente baixas, mas até mesmo em 2 Kelvin “mornos”.
A equipe liderada pelo teórico do HZB Johannes Reuther foi capaz de explicar os dados medidos usando vários métodos teóricos. “Nosso diagrama de fase teórico até identifica uma “ilha de liquidez” no centro de uma rede de tetratrílio fortemente frustrada”, diz Matias Gonzalez, primeiro autor do estudo e pesquisador de pós-doutorado na equipe de Reuther, que realizou as simulações de Monte Carlo. O aluno de doutorado Vincent Noculak calculou as interações entre os spins usando um método baseado em diagramas de Feynman que Reuther desenvolveu há vários anos (grupo de renormalização de função pseudo-fermion, PFFRG). A concordância entre os dados medidos e os resultados teóricos é surpreendentemente boa. “Apesar de suas interações extremamente complexas, podemos reproduzir esse sistema muito bem”, diz Reuther.
Candidatos QSL nos Langbeinites
Langbeinites são uma classe grande e amplamente inexplorada de materiais. O estudo mostra que a busca por comportamento quântico pode valer a pena aqui. A equipe liderada pela física Bella Lake do HZB já sintetizou novos representantes dessa classe de materiais, que também podem ser considerados líquidos de spin quântico 3D. “Isso ainda é ciência puramente fundamental”, enfatiza Johannes Reuther, “mas com o crescente interesse em novos tipos de materiais quânticos, os materiais Langbeinite podem se tornar interessantes para aplicações em informação quântica.”
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