Materiais magnéticos que se acredita conterem líquidos de spin quântico atraíram intenso interesse por seu potencial para revelar estados exóticos da matéria e avançar na computação quântica. No entanto, as aparências no mundo quântico podem ser enganosas. Um novo estudo publicado em progresso científico Uma pesquisa co-liderada por Peng Cheng Dai, da Rice University, mostra que o hexaaluminato de cério e magnésio (CeMgAl11oxigênio19) já foram considerados nesta categoria rara, mas na verdade não são líquidos de spin quântico.
“Este material é classificado como um líquido de spin quântico porque tem duas propriedades: observar um estado contínuo e carecer de ordem magnética”, disse o co-autor Bin Gao, cientista pesquisador da Rice University. “Mas uma análise mais detalhada do material mostrou que a causa subjacente dessas observações não é a fase líquida do spin quântico.”
Como os estados magnéticos geralmente se comportam
Usado para materiais isolantes como CeMgAl11oxigênio19íons magnéticos como o cério podem adotar um de dois arranjos: ferromagnético ou antiferromagnético. No estado ferromagnético, os íons se alinham na mesma direção e cada íon incentiva seus vizinhos a fazerem o mesmo. No estado antiferromagnético, os íons vizinhos apontam em direções opostas, formando diferentes tipos de padrões ordenados.
Os cientistas podem observar estes arranjos resfriando o material a temperaturas próximas do zero absoluto. Sob estas condições, os materiais convencionais caem em um estado único, estável e de baixa energia. Como todos os íons estão dispostos no mesmo tipo de arranjo, os pesquisadores normalmente veem apenas uma configuração.
O que torna os líquidos de spin quântico diferentes
Os líquidos de spin quântico se comportam de maneira muito diferente. Eles não permanecem num estado fixo, mas mudam constantemente entre vários estados de baixa energia através de efeitos quânticos. Isso resulta em uma extensão ou continuum de estados observáveis, em vez de um único estado. Também resulta na falta de ordem magnética, uma vez que tendências ferromagnéticas e antiferromagnéticas podem ocorrer simultaneamente.
Silício magnésio alumínio11oxigênio19 Essas duas características principais são mostradas. Falta-lhe uma ordem magnética clara e apresenta um continuum de estados, o que inicialmente sugeria que se tratava de um líquido de spin quântico. No entanto, um olhar mais atento revela uma explicação diferente. O continuum observado resulta da degradação do estado causada pela competição entre interações ferromagnéticas e antiferromagnéticas, e não pelo comportamento quântico.
“Estávamos interessados neste material, que tem um conjunto de propriedades que nunca vimos antes”, disse o co-autor Tong Chen, cientista pesquisador da Rice University. “Não é um líquido de spin quântico, mas estamos observando um comportamento que acreditamos estar associado a líquidos de spin quântico.”
Uma competição magnética sutil
Para revelar o que estava acontecendo, a equipe usou o espalhamento de nêutrons, bem como outras medições precisas. Eles descobriram que a fronteira entre o comportamento ferromagnético e antiferromagnético do material é incomumente fina. Isso permite que os íons magnéticos se movam mais livremente entre os dois estados, em vez de ficarem bloqueados em um único modo.
Portanto, na mesma estrutura, alguns íons exibem propriedades ferromagnéticas enquanto outros exibem propriedades antiferromagnéticas. Este arranjo híbrido evita que o sistema forme um único estado ordenado e, em vez disso, cria muitas configurações possíveis de baixa energia. Quando resfriado até próximo do zero absoluto, o material pode entrar em qualquer uma dessas configurações, produzindo uma gama de estados observados semelhantes ao contínuo visto em líquidos de spin quântico. No entanto, ao contrário dos verdadeiros líquidos de spin quântico, uma vez que um material entra em um estado, ele permanece lá e não faz transição entre estados.
“A capacidade única do material de ‘selecionar’ entre diferentes estados de baixa energia produziu dados observacionais muito semelhantes aos de um estado líquido de spin quântico”, disse Dai, autor correspondente do estudo. “Até onde sabemos, este é um novo estado da matéria que somos os primeiros a descrever.”
Um lembrete da complexidade quântica
A descoberta destaca a complexidade e a extensão surpreendente dos sistemas magnéticos. Mesmo que um material pareça corresponder às características esperadas de um estado quântico, a sua física subjacente pode contar uma história diferente.
Day acrescentou que este material único é um bom lembrete do quanto ainda sabemos sobre o reino quântico. “Isso destaca a importância de observar cuidadosamente e investigar minuciosamente os dados”.
Financiamento e apoio à investigação
O trabalho de dispersão de nêutrons e suscetibilidade AC da Rice University é apoiado pelo Departamento de Ciências Básicas de Energia dos EUA (DE-SC0012311, DE-SC0026179). O trabalho de crescimento de cristais únicos foi apoiado pela Fundação Robert Welch (C-1839). O crescimento de cristais em Rutgers BG, XX e SWC foi apoiado pelo Programa de Visitantes do Centro de Síntese de Materiais Quânticos, financiado pelo Programa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF6402) e pela Universidade Rutgers. O trabalho teórico realizado por CL e LB foi apoiado pelo Departamento de Energia dos EUA, Office of Science, BES (DE-FG02-08ER46524) e pela Simons Collaboration on Ultra-Quantum Matter. Os pesquisadores receberam apoio pessoal da Fundação Gordon e Betty Moore por meio do programa Fenômenos Emergentes em Sistemas Quânticos; a Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (12204160); a Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, Ministério da Ciência e TIC (2022M3H4A1A04074153); e a Fundação Welch (AA-2056-20240404). O experimento de espalhamento de nêutrons no J-PARC MLF foi conduzido sob a proposta número 2022B0242. Esta pesquisa utilizou recursos da Spallation Neutron Source, uma instalação de usuário do Departamento de Energia dos EUA, operada pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge.
