No laboratório do cientista de materiais Stephen Wilson, na UC Santa Barbara, os pesquisadores estão estudando a física por trás dos estados incomuns da matéria enquanto projetam materiais que podem suportar propriedades úteis para futuras tecnologias quânticas.
Num estudo publicado em materiais naturaisA equipe de Wilson descreve um novo método que explora o fenômeno da frustração da ordem de longo alcance em materiais para criar estados magnéticos não convencionais. Esses estados podem, em última análise, ser relevantes para as tecnologias quânticas. Wilson enfatizou que o foco deste trabalho está na ciência básica, e não nas aplicações diretas. “Esta é uma ciência básica que visa resolver um problema fundamental. Seu objetivo é explorar as possibilidades físicas de dispositivos futuros.”
Seu estudo, intitulado “Frustração de ligação escalonada em antiferromagnetos de rede triangular”, examina como múltiplas formas de frustração surgem nesses sistemas. Um tipo importante é o recuo geométrico. Isto ocorre quando o momento magnético no material não consegue se estabilizar em um único modo estável e, em vez disso, permanece em uma configuração flutuante.
Pequenos ímãs atômicos e geometrias frustradas
Wilson explicou o magnetismo com uma analogia simples. “Você pode pensar no magnetismo como vindo de pequenas barras magnéticas localizadas em locais atômicos da rede cristalina”, disse ele. Esses minúsculos ímãs são chamados de momentos dipolares magnéticos. Dependendo da estrutura do material, eles interagem entre si e se organizam de forma a minimizar a energia, ou seja, atingem o estado fundamental. O estado fundamental representa a configuração de energia mais baixa possível de um sistema e, no zero absoluto, todo sistema existe neste estado.
“Se esses momentos magnéticos interagem de uma forma que deseja que sejam antiparalelos entre si”, continuou Wilson, “chamamos isso de antiferromagnetismo”. No arranjo quadrado dos átomos, essa interação pode ocorrer facilmente. Cada momento magnético pode apontar na direção oposta aos momentos magnéticos vizinhos, produzindo uma configuração estável.
No entanto, a situação muda quando os átomos formam um arranjo triangular. Nesta geometria, é impossível que cada momento magnético aponte simultaneamente na direção oposta de todos os momentos magnéticos adjacentes. Conforme descreve Wilson, esses momentos começaram a competir entre si. Na verdade, eles estão frustrados porque a geometria da rede os impede de alcançar o alinhamento de energia mais baixo. O sistema tenta alcançar o equilíbrio, mas não consegue alcançá-lo devido à estrutura que ocupa.
Frustração de vínculo e compartilhamento de elétrons
Frustrações semelhantes podem ocorrer no outro lado da eletrônica. Não envolve magnetismo, mas é criado por cargas de elétrons. Quando dois íons próximos tentam compartilhar um elétron por meio de uma ligação, eles podem formar o que os cientistas chamam de dímero atômico.
Assim como as interações magnéticas podem ser suprimidas em certas estruturas de rede, esses dímeros também podem enfrentar restrições geométricas, como redes triangulares ou redes em favo de mel. O resultado poderá ser que a própria rede de obrigações seja frustrada. Tais redes são frequentemente muito sensíveis à tensão, e a aplicação de tensão pode aliviar parcialmente a frustração dentro do padrão de ligação.
A pesquisa de Wilson concentra-se num material extremamente raro em que existem dois tipos de frustração simultaneamente. A frustração magnética e a frustração do vínculo ocorrem simultaneamente na mesma estrutura.
Conectando dois sistemas frustrados
Wilson descreveu a descoberta como “emocionante” porque abre uma maneira possível de controlar outro sistema influenciando outro sistema frustrado. Nos últimos seis ou sete anos, os cientistas aprenderam como criar estados magnéticos bloqueados utilizando materiais construídos a partir de redes triangulares de lantanídeos, um grupo de elementos encontrados na linha inferior da tabela periódica.
“Em princípio, esta rede triangular de momentos lantanídeos apropriadamente escolhidos poderia levar ao surgimento de um estado especial de desordem quântica intrínseca”, disse Wilson. Os objetivos da equipe são baseados nesta ideia. “Uma das coisas que tentamos fazer neste projeto foi funcionalizar esse estado exótico, incorporando-o em uma rede cristalina com um grau extra de frustração de ligação.”
Os pesquisadores sabem que o magnetismo quântico desordenado pode assumir muitas formas. Alguns desses estados podem suportar emaranhados de longo alcance entre spins, um conceito-chave na ciência da informação quântica. Wilson explica: “Alguns estados podem ser emaranhados de spin de longo alcance, o que é interessante no campo da informação quântica. Seria emocionante controlar esses estados aplicando pressão em uma rede de ligações frustradas.”
Rumo a estados quânticos controlados
Uma questão importante surge quando dois sistemas frustrados existem simultaneamente e ambos são altamente sensíveis a perturbações como deformações ou campos magnéticos. Os cientistas querem saber se os dois sistemas podem influenciar um ao outro. Se uma camada ficar ordenada sob certas condições, isso também poderá afetar outra camada.
“É uma forma de dar a algo uma função ou reação a outra coisa à qual de outra forma não reagiria”, explica Wilson. “Portanto, em princípio, seria possível projetar uma grande resposta ferroelétrica. Você poderia aplicar uma pequena tensão, que induzisse ordem magnética, ou poderia aplicar um pequeno campo magnético, que induzisse mudanças estruturais.”
“Em princípio, se você puder encontrar um estado fundamental quântico desordenado que hospede um emaranhado de longo alcance, então a questão é se você pode acessar esse emaranhado acoplando-se a outra camada, como a frustração de títulos.”
Wilson também está interessado em saber se esta abordagem poderia levar ao surgimento simultâneo de múltiplos tipos de ordem. “Basicamente, devido à proximidade destas duas redes frustradas, poderíamos ter diferentes tipos de ordem de nucleação”, disse ele. “Essa é a ideia geral.”
