Os pesquisadores da Brown University fizeram grandes avanços na compreensão do complexo estado da matéria conhecido como líquidos de spin quântico. Em contraste com os ímãs padrão, que se solidificam à medida que a temperatura diminui, os líquidos de spin quântico permanecem em estado de flutuação. Um estudo recente, com foco no composto H3LiIr2O6, fornece informações sobre o papel da desordem nesses materiais. Eles descobriram que o estado líquido quântico não foi imitado ou destruído pela desordem, mas foi significativamente alterado. Esta pesquisa traz esperança para a tecnologia quântica, especialmente no campo da computação quântica.
Um estudo liderado por cientistas da Universidade Brown começa a abordar uma questão de longa data na física da matéria condensada: se a desordem imita ou destrói o estado líquido quântico num composto proeminente. Os líquidos de spin quântico são difíceis de explicar e ainda mais difíceis de entender.
Primeiro, os líquidos de spin quântico não têm nada a ver com líquidos cotidianos, como água ou suco, mas sim com ímãs especiais e como eles giram. Em um ímã normal, quando a temperatura diminui, os spins dos elétrons essencialmente congelam, formando uma massa sólida. No entanto, em líquidos de spin quântico, os spins dos elétrons não congelam – em vez disso, os elétrons permanecem em um fluxo constante, como em um líquido de fluxo livre.
Os líquidos de spin quântico estão entre os estados quânticos mais emaranhados já concebidos, e suas propriedades são fundamentais para aplicações que os cientistas acreditam que poderiam avançar no desenvolvimento da tecnologia quântica. Apesar de 50 anos de exploração de líquidos de spin quânticos e de múltiplas teorias apontando para a sua existência, ninguém jamais viu evidências definitivas deste estado da matéria. Na verdade, os investigadores poderão nunca ver tais provas porque é muito difícil medir directamente o emaranhado quântico, um fenómeno que Einstein apelidou de "acção assustadora à distância". Esse fenômeno foi chamado por Einstein de “ação assustadora à distância”, ou seja, dois átomos estão ligados entre si e podem trocar informações por mais distantes que estejam.
O papel da desordem em líquidos de spin quânticos
O mistério dos líquidos de spin quântico levanta questões importantes sobre este material exótico na física da matéria condensada que permanecem sem resposta até hoje. Mas num novo artigo publicado na Nature Communications, uma equipa de físicos liderada pela Universidade Brown pretende desvendar uma das questões mais importantes, e fá-lo introduzindo uma nova fase da matéria. Tudo se resume à desordem.
“Todos os materiais estão desordenados até certo ponto”, explicou Kemp-Plumb, professor assistente de física na Universidade Brown e autor sénior do novo estudo, e a desordem está relacionada com o número de formas microscópicas em que os componentes de um sistema estão organizados. Por exemplo, sistemas ordenados (como cristais sólidos) têm poucas maneiras de se reorganizarem, enquanto sistemas desordenados (como gases) não têm estrutura real.
Nos líquidos de spin quântico, a diferença provocada pela desordem vai essencialmente contra a teoria por trás do líquido. Uma explicação popular é que quando a desordem é introduzida, o material não é mais um líquido de spin quântico, mas simplesmente um ímã em estado desordenado. “Portanto, a grande questão é se os estados líquidos de spin quântico podem sobreviver à desordem e, em caso afirmativo, como?” Ameixa disse.
Para resolver este problema, os investigadores usaram os raios X mais brilhantes do mundo para analisar ondas magnéticas nos compostos que estudaram, procurando pistas de líquidos de spin quântico. As medições mostram que não apenas o material não se torna ordenado magneticamente (ou congela) em baixas temperaturas, mas os estados desordenados presentes no sistema não imitam ou perturbam o estado líquido quântico.
Eles descobriram que a desordem altera significativamente esse estado.
“O estado líquido quântico é viável”, disse Plum. "Ele não congela como um ímã normal. Ele mantém esse estado dinâmico, mas é como uma versão desrelacionada do estado dinâmico. Nossa explicação agora é que o líquido de spin quântico é dividido em pequenas poças por todo o material."
Impacto e pesquisas futuras
Os resultados mostram basicamente que o material que estudaram é um dos principais candidatos a líquidos de spin quântico e parece próximo dos líquidos de spin quântico, mas tem mais um ingrediente. Os pesquisadores acreditam que este é um líquido de spin quântico desordenado, um novo estágio de matéria desordenada.
"Uma coisa que pode acontecer neste material é que ele se transforme numa versão desordenada do estado líquido de spin não quântico, mas as nossas medições dir-nos-iam isso. Em vez disso, as nossas medições mostram que é um estado muito diferente," disse Plum.
Esses resultados aprofundam nossa compreensão de como a desordem afeta os sistemas quânticos e como interpretá-la, o que é importante para explorar as aplicações desses materiais na computação quântica.
O trabalho faz parte de um estudo de longa data sobre estados magnéticos exóticos no Plum Lab da Brown University. O estudo se concentrou no composto H3LiIr2O6, um material que se acredita ser o melhor protótipo de um tipo especial de líquido de spin quântico conhecido como líquido de spin Kitaev. Embora se saiba que o H3LiIr2O6 não congela em baixas temperaturas, é notoriamente difícil de produzir em laboratório, e sabe-se que existe desordem no H3LiIr2O6, o que obscurece se o H3LiIr2O6 é realmente um líquido de spin.
Pesquisadores da Brown University, trabalhando com colaboradores do Boston College, sintetizaram o material e depois o irradiaram com luz de alta energia usando um poderoso sistema de raios X no Argonne National Laboratory, em Illinois. A luz excita o magnetismo em compostos, e medi-lo a partir das ondas que ela cria é uma solução alternativa para medir o emaranhamento porque fornece uma maneira de ver como a luz afeta todo o sistema.
Os pesquisadores esperam continuar a expandir este trabalho, melhorando o método, os próprios materiais e estudando diferentes materiais.
“A maior coisa daqui para frente é o que temos feito, que é continuar a pesquisar o vasto espaço de materiais que a tabela periódica nos oferece”, disse Plum. "Agora temos uma compreensão muito melhor de como diferentes combinações de elementos afetam as interações ou criam diferentes tipos de desordem que afetam os líquidos de spin. Temos muito mais orientações, e isso é muito importante porque esta é realmente uma área muito ampla a explorar."