Fig. 1 Diferenças entre ímãs comuns e líquidos de spin. Em altas temperaturas, os spins - as pequenas bússolas de cada elétron desemparelhado nos materiais - flutuam aleatoriamente entre orientações arbitrárias em ambos os casos. (Esquerda) Em estados magnéticos convencionais, os spins se alinham estaticamente em relação uns aos outros de maneira paralela ou antiparalela abaixo de alguma temperatura característica. (Direita) Em um líquido de spin quântico, os giros nunca pedem em qualquer temperatura, não importa o quão baixo seja - eles continuam a flutuar rapidamente sem quebrar a simetria, mesmo na temperatura de zero absoluto (-273 ° C). Crédito:Kosmas Prassides
Combustíveis como a gasolina são compostos de hidrocarbonetos - uma família de moléculas que consiste inteiramente em carbono e hidrogênio. Pigmento e corante, o carvão e o alcatrão também são compostos de hidrocarbonetos.
Esses comuns, materiais abundantes, às vezes até mesmo associado ao desperdício, nem sempre são considerados interessantes do ponto de vista eletrônico ou magnético. Mas uma equipe de pesquisa internacional, liderado pelo Professor Kosmas Prassides da Tohoku University no Japão e pelo Professor Matthew J. Rosseinsky da University of Liverpool no Reino Unido, fez uma descoberta significativa.
A equipe descobriu recentemente como obter esses componentes moleculares de hidrocarbonetos, vesti-los com elétrons, cada um dos quais carrega uma pequena bússola - um spin desemparelhado - e empacote-os juntos como biscoitos em uma caixa para criar um líquido de spin quântico - um estado hipotético da matéria há muito procurado.
Foi em 1973 que a existência de líquidos quânticos de spin foi proposta pela primeira vez teoricamente. Em ímãs convencionais, o movimento dos giros do elétron - os minúsculos ímãs - congela ao resfriar à medida que eles se alinham paralelos ou antiparalelos entre si (Fig. 1 à esquerda). Em contraste, os spins em um líquido de spin quântico nunca param de flutuar, aleatoriamente e fortemente, mesmo na temperatura mais baixa do zero absoluto. Cada spin individual aponta simultaneamente ao longo de um número infinito de direções e está altamente emaranhado com outros spins, mesmo aqueles que estão longe (Fig. 1 à direita). Como tal, prevê-se que esse mar de spins de elétrons hospede muitos fenômenos exóticos de interesse fundamental e tecnológico.
Fig. 2 Três moléculas de hidrocarboneto poliaromático investigadas neste trabalho. A molécula de fenantreno (C14H10) consiste em três anéis de benzeno fundidos em configuração de poltrona. As moléculas de piceno e pentaceno (C22H14) consistem em cinco anéis de benzeno fundidos em poltrona e configuração em zigue-zague, respectivamente. Os átomos de carbono e hidrogênio são de cor cinza e laranja, respectivamente. Crédito:Kosmas Prassides
Contudo, a realização experimental deste estado de matéria totalmente emaranhado único permaneceu até agora não realizada. Apesar de uma pesquisa de quatro décadas, há muito poucos candidatos líquidos de spin quântico. As opções atuais incluem certos minerais inorgânicos de cobre e alguns sais orgânicos, que contém raros, elementos pesados ou tóxicos.
Em resultados publicados em dois artigos consecutivos em 24 de abril na revista Química da Natureza , a equipe surgiu com a nova química necessária para fazer materiais cristalinos de alta pureza a partir da reação de hidrocarbonetos poliaromáticos (Fig. 2) com metais alcalinos pela primeira vez.
Materiais obtidos de hidrocarbonetos poliaromáticos (moléculas com muitos anéis aromáticos) foram propostos no passado como candidatos a novos supercondutores - materiais sem resistência elétrica e capazes de transportar eletricidade sem perder energia - desprovidos de elementos tóxicos ou raros. Contudo, a destruição dos componentes moleculares nos tratamentos sintéticos empregados inibiu qualquer progresso neste campo.
Fig. 3 Representação diagramática da estrutura do hidrocarboneto iônico descoberto neste trabalho como hospedeiro de um líquido de spin quântico. O painel esquerdo mostra os íons moleculares, que organizam em cadeias de compartilhamento de vértices triangulares. O painel direito mostra os tubos magnéticos espirais coexistentes. Os dois motivos estruturais se interligam para dar uma arquitetura de embalagem complexa, conforme mostrado na projeção no painel do meio. Cada íon molecular tem um spin (mostrado como uma seta cinza). Os spins flutuam perpetuamente até baixas temperaturas. A figura mostra um de um número infinito de arranjos de spin emaranhados. Crédito:Kosmas Prassides
"A remoção do obstáculo sintético existente levou a desenvolvimentos muito empolgantes, "diz o professor Kosmas Prassides." Já descobrimos que algumas das estruturas dos novos materiais - feitas inteiramente de carbono e hidrogênio, a combinação mais simples possível - mostra propriedades magnéticas sem precedentes - comportamento do líquido de spin (Fig. 3) - com aplicações potenciais em supercondutividade e computação quântica. "
"Levamos muitos anos de trabalho para alcançar nosso avanço, "acrescenta o professor Matthew Rosseinsky." Mas no final, conseguimos desenvolver nenhum, mas duas rotas complementares de química, que abre o caminho para uma rica variedade de novos materiais com propriedades ainda desconhecidas. "
