Resumo:
A equipe de pesquisa da Universidade de Osaka, no Japão, recentemente fez progressos na ciência dos materiais: os pesquisadores usaram o metal relativamente comum cobalto para construir uma estrutura local de favo de mel de cobalto em um filme de óxido com uma estrutura cristalina de favo de mel existente, e observaram magnetismo especial relacionado a materiais quânticos do tipo Kitaev. Esta conquista fornece um novo sistema de materiais que não depende de metais raros, como rutênio e irídio, para estudar estados quânticos exóticos, como líquidos de spin quânticos.
O material de base escolhido pelos pesquisadores é o antimonato de sódio (NaSbO₃), que possui uma estrutura em favo de mel em camadas. A equipe de pesquisa adicionou cerca de 4% de cobalto, permitindo que os átomos de cobalto formassem localmente uma estrutura de favo de mel de CoO₆ sem destruir a estrutura cristalina original em grande escala.
Os pesquisadores então usaram análises microscópicas para confirmar que os átomos de cobalto estavam de fato agregados em uma estrutura local de favo de mel, conforme previsto pela teoria, e nenhuma segunda fase indesejada óbvia foi formada. Isto é importante porque para criar um material com magnetismo quântico específico, não basta simplesmente adicionar um elemento a outro cristal. Os átomos dopantes também devem formar uma estrutura local suficientemente estável com um arranjo geométrico específico.
A chave para esta pesquisa está no próprio arranjo do favo de mel. Os materiais de Kitaev são valorizados pelos físicos porque a rede específica do favo de mel e as interações magnéticas podem produzir estados quânticos muito especiais, os mais interessantes dos quais são os líquidos de spin quântico.
Em materiais magnéticos comuns, os spins de um grande número de átomos tendem a se organizar de acordo com certas regras, como formar uma estrutura ferromagnética ou antiferromagnética. Mas em líquidos de spin quântico, mesmo que a temperatura seja reduzida a níveis muito baixos, os spins podem não ser capazes de formar uma ordem magnética de longo alcance no sentido tradicional devido às flutuações quânticas, mas manter um estado dinâmico altamente emaranhado.
Esse tipo de material sempre foi um importante objeto de pesquisa em física quântica. Teoricamente, alguns líquidos de spin quântico podem ter excitações de quasipartículas e propriedades topológicas muito especiais e, portanto, são considerados potencialmente relevantes para a futura computação quântica e para a pesquisa de novos dispositivos quânticos. Porém, esse tipo de material ainda está longe de ser realmente utilizado na computação quântica.
Anteriormente, um grande número de pesquisas de materiais de Kitaev concentravam-se em compostos contendo rutênio e irídio, porque esses elementos podem fornecer propriedades como o forte acoplamento spin-órbita necessário para a pesquisa. No entanto, tanto o rutênio quanto o irídio são elementos relativamente raros e caros, o que, até certo ponto, limita a preparação em larga escala e a exploração adicional de aplicações de materiais relacionados.
É por isso que o cobalto preocupa os pesquisadores. O cobalto é um metal de transição relativamente comum que tem sido amplamente utilizado em baterias, ligas, fabricação de semicondutores e outros campos. Seu custo e fornecimento são geralmente mais propícios ao uso em larga escala do que o rutênio e o irídio. A equipe de pesquisa espera verificar uma questão-chave: se o cobalto pode ser transformado em uma estrutura em favo de mel semelhante à do material de Kitaev e, assim, obter propriedades magnéticas com valor de pesquisa.
Resultados experimentais mostram que esta ideia é realmente viável. Medições magnéticas descobriram que o material aparece em um estado ferromagnético próximo a cerca de 88 Kelvin, que é cerca de 185 graus Celsius negativos. Cálculos teóricos mostram que esse comportamento magnético está intimamente relacionado ao arranjo dos átomos de cobalto na estrutura local em favo de mel do CoO₆.
O estudo também descobriu que o material apresenta acoplamento antiferromagnético intercamadas, ou seja, embora a estrutura local exiba características magnéticas semelhantes às ferromagnéticas, as direções das interações magnéticas entre as diferentes camadas são diferentes. Esta complexa interação magnética é uma base importante para o estudo de novos materiais magnéticos quânticos.
No entanto, os pesquisadores também enfatizaram claramente que atualmente não há evidências de que este material à base de cobalto tenha formado um líquido de spin quântico. Portanto, não é correto chamar diretamente essa conquista de “a descoberta de um líquido de spin quântico que pode ser usado para computação quântica”. Uma afirmação mais precisa nesta fase é que a equipa de investigação estabeleceu uma nova plataforma de material com características magnéticas do tipo Kitaev e baseada no elemento mais comum cobalto.
Outro significado importante deste trabalho é que os pesquisadores não criaram à força uma estrutura em favo de mel por meio de uma tecnologia de arranjo atômico artificial extremamente complexa. Em vez disso, eles incorporaram cobalto no NaSbO₃, que já possui uma rede em favo de mel, e permitiram que os átomos de cobalto formassem uma estrutura local em favo de mel de CoO₆ por conta própria.
Os pesquisadores disseram que a capacidade dessas estruturas em favo de mel de cobalto de se formarem naturalmente e produzirem os sinais magnéticos óbvios previstos pela teoria é um resultado emocionante deste trabalho. Isto significa que ideias semelhantes de design de materiais podem ser usadas no futuro, selecionando materiais comuns com estruturas de rede específicas como "modelos" e depois adicionando elementos magnéticos apropriados para construir materiais quânticos que só podiam contar com elementos raros no passado.
A equipe de pesquisa está atualmente ajustando ainda mais a estrutura do material e testando suas propriedades quânticas com mais detalhes. Questões importantes na próxima etapa incluem se as interações magnéticas relevantes podem ser melhoradas e controladas ainda mais, e se o material pode entrar em um estado quântico mais próximo do modelo teórico de Kitaev, alterando a concentração, a estrutura cristalina e o acoplamento intercamadas do cobalto.
Portanto, o significado desta pesquisa está temporariamente mais refletido nos campos da ciência básica dos materiais e da pesquisa do magnetismo quântico, em vez da criação imediata de um novo chip de computador quântico. O que realmente proporciona é uma nova rota de concepção de materiais: a utilização de cobalto, que é relativamente abundante em reservas e de custo relativamente baixo, para construir estruturas magnéticas especiais locais em materiais de rede em favo de mel existentes, reduzindo assim a dependência de elementos raros, como o ruténio e o irídio.
Se a pesquisa de acompanhamento puder provar ainda que este sistema baseado em cobalto tem emaranhamento quântico mais forte, excitação topológica ou outras características quânticas do tipo Kitaev, então ele poderá se tornar uma importante plataforma experimental para o estudo de líquidos de spin quântico e novos materiais quânticos, e também poderá fornecer novas direções para a exploração futura de materiais quânticos que sejam mais fáceis de fabricar em grande escala.
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