Uma equipe global de pesquisadores liderada pelo físico da Universidade Rice, Pengcheng Dai, confirmou a presença de fótons emergentes e excitações de spin por partes em um líquido de spin quântico incomum. relatado em física naturalo ponto de trabalho é a zircônia cristalina (Ce2Zr2O7) como um exemplo tridimensional claro deste estado exótico da matéria.
Os líquidos de spin quântico fascinam os físicos há anos porque poderiam, em última análise, apoiar tecnologias transformadoras, incluindo a computação quântica e a transferência de energia sem dissipação. Ao contrário dos ímãs comuns, que formam padrões ordenados, esses materiais evitam a ordenação magnética tradicional. Em vez disso, os seus momentos magnéticos permanecem fortemente emaranhados quânticamente e continuam a mover-se colectivamente a temperaturas próximas do zero absoluto, produzindo um comportamento semelhante à electrodinâmica quântica emergente.
“Ao detectar directamente estas excitações, respondemos a uma importante questão sem resposta”, disse Day, professor de física e astronomia. “Isso confirma que Ce2Zr2O7 Ele se comporta como um verdadeiro gelo de spin quântico, um líquido de spin quântico tridimensional especial. “
Usando espalhamento de nêutrons polarizados para medições mais limpas
Para identificar essas características indescritíveis, os pesquisadores confiaram no espalhamento polarizado avançado de nêutrons. Essa abordagem os ajudou a isolar o espalhamento magnético no qual estavam interessados enquanto filtravam outros sinais, mesmo quando o sistema se aproximava dos limites de temperatura zero.
Suas medições também revelaram um sinal de fóton emergente de energia quase zero – uma característica definidora que distingue o gelo de spin quântico da fase mais familiar em ímãs convencionais. Outra evidência vem de medições de calor específicas, que apoiam a ideia de que estes fotões de emergência previstos seguem uma dispersão semelhante à forma como o som se move nos sólidos.
As primeiras tentativas de confirmar este comportamento foram muitas vezes prejudicadas por ruído técnico e dados incompletos. A equipe liderada pela Rice University, apoiada por um esforço internacional dos principais laboratórios da Europa e da América do Norte, enfrentou esses desafios através de uma melhor preparação de amostras e de instrumentação de alta precisão.
Primeira observação significativa
Neste material candidato tridimensional, os pesquisadores observaram fótons e spinons emergentes – assinaturas-chave do gelo de spin quântico. O resultado resolve um debate de longa data na física da matéria condensada e fornece aos cientistas uma plataforma poderosa para estudar fenômenos quânticos de próxima geração e potenciais caminhos tecnológicos.
As descobertas apoiam décadas de expectativas teóricas, disse Bin Gao, cientista pesquisador do Departamento de Física e Astronomia de Rice e principal autor do estudo.
“Este resultado surpreendente encoraja os cientistas a aprofundarem-se neste material único, que pode mudar a nossa compreensão dos ímanes e do comportamento dos materiais em estados quânticos extremos”, disse Gao.
Equipe de pesquisa e financiamento
Os coautores do estudo incluem Félix Desrochers e Yong Baek Kim, da Universidade de Toronto; David Tam, ex-aluno da Rice Paul Scherrer School; Silke Paschen, Diana Kirschbaum e Duy Ha Nguyen da Universidade Técnica de Viena; Paul Steffens e Arno Hiess do Instituto Laue-Langevin; Centro Heinz Maier-Leibnitz Zentrum Jülich; e Sang-Wook Cheong da Universidade Rutgers.
O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Gordon e Betty Moore e a Fundação Robert Welch apoiaram a pesquisa.
