​​​​​​​Investigação computacional confirma o primeiro líquido de spin quântico 3D

Mar 21, 2024

HOUSTON – (10 de maio de 2022) – O trabalho de detetive computacional realizado por físicos norte-americanos e alemães confirmou que o pirocloro de cério zircônio é um líquido de spin quântico 3D.

Apesar do nome, os líquidos de spin quântico são materiais sólidos nos quais o emaranhado quântico e o arranjo geométrico dos átomos frustram a tendência natural dos elétrons de se ordenarem magneticamente uns em relação aos outros. A frustração geométrica em um líquido de spin quântico é tão severa que os elétrons flutuam entre estados magnéticos quânticos, não importa quão frios eles se tornem.

Os físicos teóricos trabalham rotineiramente com modelos de mecânica quântica que manifestam líquidos de spin quântico, mas encontrar evidências convincentes de que eles existem em materiais físicos reais tem sido um desafio de décadas. Embora vários materiais 2D ou 3D tenham sido propostos como possíveis líquidos de spin quântico, o físico da Universidade Rice, Andriy Nevidomskyy, disse que não há consenso estabelecido entre os físicos de que algum deles se qualifique.

Nevidomskyy espera que isso mude com base na investigação computacional que ele e colegas de Rice, da Florida State University e do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos em Dresden, Alemanha, publicaram este mês na revista de acesso aberto npj Quantum Materials.

“Com base em todas as evidências que temos hoje, este trabalho confirma que os cristais únicos de pirocloro de cério identificados como candidatos a líquidos de spin quântico 3D em 2019 são de fato líquidos de spin quântico com excitações de spin fracionadas”, disse ele.

A propriedade inerente dos elétrons que leva ao magnetismo é o spin. Cada elétron se comporta como uma pequena barra magnética com um pólo norte e um pólo sul e, quando medido, os spins dos elétrons individuais sempre apontam para cima ou para baixo. Na maioria dos materiais do dia a dia, os giros apontam para cima ou para baixo aleatoriamente. Mas os elétrons são anti-sociais por natureza, e isso pode fazer com que eles organizem seus spins em relação aos seus vizinhos em algumas circunstâncias. Nos ímãs, por exemplo, os spins são organizados coletivamente na mesma direção, e nos antiferromagnetos eles são organizados em um padrão de cima para baixo e de cima para baixo.

A temperaturas muito baixas, os efeitos quânticos tornam-se mais proeminentes, e isto faz com que os electrões organizem os seus spins colectivamente na maioria dos materiais, mesmo naqueles onde os spins apontariam em direcções aleatórias à temperatura ambiente. Os líquidos de spin quântico são um contra-exemplo em que os spins não apontam em uma direção definida – nem mesmo para cima ou para baixo – não importa o quão frio o material se torne.

“Um líquido de spin quântico, por sua própria natureza, é um exemplo de estado fracionado da matéria”, disse Nevidomskyy, professor associado de física e astronomia e membro da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . “As excitações individuais não são movimentos giratórios de cima para baixo ou vice-versa. Eles são objetos bizarros e deslocalizados que carregam metade de um grau de liberdade de spin. É como meio giro.”

Nevidomskyy fez parte do estudo de 2019 liderado pelo físico experimental de Rice, Pengcheng Dai, que encontrou a primeira evidência de que o pirocloro de cério zircônio era um líquido de spin quântico. As amostras da equipe foram as primeiras desse tipo: pirocloros por causa de sua proporção de 2 para 2 para 7 de cério, zircônio e oxigênio, e cristais únicos porque os átomos internos estavam dispostos em uma rede contínua e ininterrupta. Experimentos de espalhamento inelástico de nêutrons feitos por Dai e colegas revelaram uma marca registrada do líquido de spin quântico, um continuum de excitações de spin medidas em temperaturas tão baixas quanto 35 milikelvin.

“Você poderia argumentar que eles encontraram o suspeito e o acusaram do crime”, disse Nevidomskyy. “Nosso trabalho neste novo estudo foi provar ao júri que o suspeito é culpado.”

Nevidomskyy e colegas construíram seu caso usando métodos de Monte Carlo de última geração, diagonalização exata, bem como ferramentas analíticas para realizar os cálculos da dinâmica de spin para um modelo de mecânica quântica existente de pirocloro de cério zircônio. O estudo foi concebido por Nevidomskyy e Roderich Moessner de Max Planck, e as simulações de Monte Carlo foram realizadas por Anish Bhardwaj e Hitesh Changlani do estado da Flórida com contribuições de Han Yan de Rice e Shu Zhang de Max Planck.