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    Átomos ultracold apontam para um comportamento magnético intrigante
    p Cada ponto verde representa um átomo de lítio individual. Os pesquisadores usam um microscópio quântico de gás para obter imagens dos átomos, que foram resfriados a uma fração de grau acima do zero absoluto e presos no local usando lasers. Crédito:Peter Brown, Universidade de Princeton.

    p Usando átomos resfriados a apenas bilionésimos de grau acima do zero absoluto, uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton descobriu um comportamento magnético intrigante que pode ajudar a explicar como funciona a supercondutividade em alta temperatura. p Os pesquisadores descobriram que a aplicação de um forte campo magnético a esses átomos ultracold fez com que eles se alinhassem em um padrão alternado e se afastassem um do outro. O comportamento, que os pesquisadores chamam de "antiferromagnetismo inclinado, "é consistente com as previsões de um modelo de décadas usado para entender como a supercondutividade surge em certos materiais. Os resultados foram publicados na revista Ciência .

    p "Ninguém observou esse tipo de comportamento neste sistema antes, "disse Waseem Bakr, professor assistente de física na Universidade de Princeton. "Usamos lasers para criar cristais artificiais e depois exploramos o que está acontecendo em detalhes microscópicos, que é algo que você simplesmente não pode fazer em um material do dia a dia. "

    p O experimento, conduzido em uma mesa no Jadwin Hall de Princeton, permite a exploração de um modelo que descreve como os comportamentos quânticos dão origem à supercondutividade, um estado em que a corrente pode fluir sem resistência e que é valorizado pela transmissão de eletricidade e pela fabricação de eletroímãs poderosos. Embora a base da supercondutividade convencional seja compreendida, os pesquisadores ainda estão explorando a teoria da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de cobre chamados cupratos.

    p Devido à complexidade dos cupratos, é difícil para os pesquisadores estudá-los diretamente para descobrir quais propriedades levam à capacidade de conduzir corrente sem resistência. Em vez de, construindo um cristal sintético usando lasers e átomos ultracold, os pesquisadores podem fazer perguntas que de outra forma seriam impossíveis de responder.

    p Bakr e sua equipe resfriaram átomos de lítio a apenas alguns décimos bilionésimos de grau acima do zero absoluto, uma temperatura em que os átomos seguem as leis da física quântica. Os pesquisadores usaram lasers para criar uma grade para prender os átomos ultracold no lugar. A grade, conhecido como rede ótica, pode ser pensada como uma bandeja de ovos virtual criada inteiramente a partir de luz laser na qual os átomos podem pular de um poço para o outro.

    p A equipe usou a configuração para observar as interações entre átomos individuais, que pode se comportar de maneira análoga a pequenos ímãs devido a uma propriedade quântica chamada spin. O spin de cada átomo pode ser orientado para cima ou para baixo. Se dois átomos pousarem no mesmo local, eles experimentam uma forte interação repulsiva e se espalham de forma que haja apenas um átomo em cada poço. Os átomos em poços vizinhos da bandeja de ovos tendem a ter seus spins alinhados opostos um ao outro.

    p Uma equipe liderada por pesquisadores da Universidade de Princeton manipulou a direção do spin de átomos individuais em temperaturas muito baixas usando campos magnéticos fortes. Eles descobriram um comportamento curioso chamado "antiferromagnetismo inclinado", em que os spins preferem se alinhar em um plano bidimensional em ângulos retos com o campo. O comportamento é previsto por um modelo usado para descrever como funcionam os supercondutores de alta temperatura. Crédito:Peter Brown, Universidade de Princeton.

    p Este efeito, chamado antiferromagnetismo, acontece em temperaturas muito baixas devido à natureza quântica do sistema de frio. Quando os dois tipos de populações de spin são aproximadamente iguais, os spins podem girar em qualquer direção, desde que os spins vizinhos permaneçam antialinhados.

    p Quando os pesquisadores aplicaram um forte campo magnético aos átomos, eles viram algo curioso. Usando um microscópio de alta resolução que pode gerar imagens de átomos individuais nos locais da rede, a equipe de Princeton estudou a mudança nas correlações magnéticas dos átomos com a força do campo. Na presença de um grande campo, spins vizinhos permaneceram anti-alinhados, mas se orientaram em um plano perpendicular ao campo. Olhando mais de perto, os pesquisadores viram que os átomos alinhados de forma oposta inclinavam ligeiramente na direção do campo, de modo que os ímãs ainda estavam voltados para o lado oposto, mas não estavam precisamente alinhados no plano plano.

    p Correlações de spin foram observadas no ano passado em experimentos em Harvard, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, e a Universidade Ludwig Maximilian de Munique. Mas o estudo de Princeton é o primeiro a aplicar um campo forte aos átomos e observar o antiferroímã inclinado.

    p As observações foram previstas pelo modelo Fermi-Hubbard, criado para explicar como os cupratos podem ser supercondutores em temperaturas relativamente altas. O modelo Fermi-Hubbard foi desenvolvido por Philip Anderson, Joseph Henry, Professor de Física de Princeton, Emérito, que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 1977 por seu trabalho em investigações teóricas da estrutura eletrônica de sistemas magnéticos e desordenados.

    p "Compreender melhor o modelo de Fermi-Hubbard pode ajudar os pesquisadores a projetar materiais semelhantes com propriedades aprimoradas que podem transportar corrente sem resistência, "Bakr disse.

    p O estudo também analisou o que aconteceria se alguns dos átomos na bandeja do ovo fossem removidos, introdução de furos na grade. Os pesquisadores descobriram que quando o campo magnético foi aplicado, a resposta concordou com as medições feitas em cupratos. "Esta é mais uma evidência de que o modelo de Fermi-Hubbard proposto é provavelmente o modelo correto para descrever o que vemos nos materiais, "Bakr disse.

    p A equipe de Princeton incluiu o estudante graduado Peter Brown, que conduziu muitos dos experimentos e é o primeiro autor do artigo. Contribuições adicionais para os experimentos vieram de Debayan Mitra e Elmer Guardado-Sanchez, ambos estudantes de graduação em física, Peter Schauss, um pesquisador associado em física, e Stanimir Kondov, um ex-pesquisador de pós-doutorado que agora está na Universidade de Columbia.

    p O estudo incluiu contribuições para a compreensão da teoria de Ehsan Khatami da San José State University, Thereza Paiva, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, Nandini Trivedi da Universidade Estadual de Ohio, e David Huse, Cyrus Fogg Brackett, Professor de Física de Princeton.
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