Descoberta a evidência de um "líquido de spin quântico" há muito procurado
Após décadas de procura, poderá finalmente ter sido encontrado um novo estado exótico da matéria: uma equipa de investigação internacional apresenta provas convincentes
Desde os anos 70 que os cientistas têm especulado sobre a possibilidade de existirem materiais que exibam uma forma muito particular de desordem magnética - os chamados líquidos de spin quântico (QSLs).
Estes materiais são de grande interesse por várias razões. Podem ser a chave para o desenvolvimento de novos tipos de supercondutores e podem abrir novas possibilidades no domínio da computação quântica e tecnologias relacionadas. Mas os verdadeiros líquidos de spin quântico têm-se revelado extremamente difíceis de encontrar. Foram efectuadas muitas experiências, em especial em materiais bidimensionais. Mas apesar de terem sido encontradas caraterísticas promissoras de um QSL, nunca houve uma concordância total entre a experiência e a teoria.
Agora, uma equipa internacional envolvendo a TU Wien, a Universidade Rice no Texas, a Universidade de Toronto, a Universidade Rutgers e várias instalações de dispersão de neutrões identificou o primeiro candidato convincente para um verdadeiro líquido de spin quântico tridimensional. As experiências com zirconato de cério (Ce₂Zr₂O₇) revelaram as principais assinaturas esperadas para esse estado - incluindo os chamados fotões emergentes. Não se trata de fotões reais, mas de excitações magnéticas no interior do material que se comportam de uma forma muito semelhante aos fotões. As descobertas foram recentemente publicadas na revista Nature Physics.
Ímanes ordenados, líquido desordenado
Nos ímanes normais, os spins - o momento angular mecânico quântico das partículas - alinham-se em padrões regulares. Por exemplo, num ferromagneto, todos os spins apontam na mesma direção abaixo de uma determinada temperatura crítica.
Mas também há materiais em que, mesmo no zero absoluto, os spins se recusam a estabelecer qualquer configuração estática. Em vez disso, permanecem num estado de constante flutuação quântica.
"Silke Bühler-Paschen, do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien.
Um líquido de spin quântico não é, portanto, um líquido no sentido tradicional - é um cristal sólido. O termo "líquido" refere-se à ausência de ordem magnética no sistema de spin.
Embora os spins individuais num tal sistema permaneçam desordenados e apontem em várias direcções, continuam a estar mecanicamente emaranhados. As suas direcções parecem aleatórias, mas estão fundamentalmente ligadas: A medição de um spin pode afetar o estado dos outros. Este emaranhamento é o que torna os líquidos de spin quântico uma plataforma tão promissora para as futuras tecnologias quânticas.
Fotões emergentes - Luz que não é luz
Demonstrar que um material forma verdadeiramente um líquido de spin quântico é excecionalmente difícil.
"É exatamente por isso que um verdadeiro avanço nesta área tem permanecido ilusório durante décadas", diz Silke Bühler-Paschen. "Estudámos o zirconato de cério, que forma uma rede tridimensional de spins e não apresenta qualquer ordenação magnética, mesmo a temperaturas tão baixas como 20 milikelvin. Pela primeira vez, conseguimos detetar sinais que indicam fortemente um líquido de spin quântico tridimensional - em particular, a presença dos chamados fotões emergentes".
Tal como as ondas podem viajar através da água líquida quando esta é perturbada, as ondas podem propagar-se através do sistema de spin de um líquido de spin quântico. Estas ondas comportam-se em muitos aspectos como a luz, embora não sejam electromagnéticas por natureza, mas sim excitações colectivas de um grande número de spins. No entanto, matematicamente, seguem as mesmas equações que os fotões reais da eletrodinâmica. Os sinais observados correspondem às previsões teóricas em termos de energia, momento e polarização.
"A descoberta destes fotões emergentes no zirconato de cério é uma indicação muito forte de que encontrámos de facto um líquido de spin quântico", diz Silke Bühler-Paschen. "Planeamos realizar mais experiências, mas, na nossa perspetiva, o zirconato de cério é atualmente o candidato mais convincente para um líquido de spin quântico". Estão já a ser planeados outros estudos de alta resolução e investigações de materiais relacionados.
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Publicação original
Bin Gao, Félix Desrochers, David W. Tam, Diana M. Kirschbaum, Paul Steffens, Arno Hiess, Duy Ha Nguyen, Yixi Su, Sang-Wook Cheong, Silke Paschen, Yong Baek Kim, Pengcheng Dai; "Neutron scattering and thermodynamic evidence for emergent photons and fractionalization in a pyrochlore spin ice"; Nature Physics, 2025-6-19
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