Um pouco de frustração pode tornar a vida interessante. Este é certamente o caso da física, onde a presença de forças concorrentes que não podem ser satisfeitas ao mesmo tempo - conhecido como frustração - pode levar a propriedades materiais raras. Assim como as moléculas de água se tornam mais ordenadas quando esfriam e congelam em cristais de gelo, os átomos dos ímãs tornam-se mais ordenados com a diminuição da temperatura à medida que os minúsculos campos magnéticos ou 'giros' dos átomos individuais começam a apontar na mesma direção. Os chamados 'líquidos de spin' são a exceção a esta regra, com giros continuando a flutuar e apontar em direções diferentes, mesmo em temperaturas muito baixas. Eles oferecem possibilidades empolgantes para novas descobertas na física. Cientistas da Universidade de Pós-Graduação do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa (OIST) modelaram um determinado líquido de spin, mostrando que a desordem pode coexistir com a ordem. Três publicações importantes marcam os marcos neste campo de pesquisa.

Primeiro, O Dr. Ludovic Jaubert da Unidade de Teoria da Matéria Quântica do OIST trabalhou ao lado de cientistas da University College London e da Ecole Normale Supérieure de Lyon para propor um modelo para a coexistência de ordem magnética e desordem em 2014. Simulando o que aconteceria quando nêutrons são disparados contra ímãs frustrados - assim chamados por causa da forte competição de forças entre os spins de átomos individuais - Jaubert e seus colegas foram capazes de produzir mapas de espalhamento de nêutrons de cores vivas. Se os spins nos átomos do material estivessem alinhados de forma ordenada no ímã, você esperaria ver pontos nos mapas conhecidos como 'picos de Bragg', enquanto com líquidos de spin você esperaria ver formas de gravata borboleta, chamados de 'pontos de aperto'. Para sua surpresa, os cientistas notaram os picos de Bragg e os pontos de compressão em seus mapas de espalhamento de nêutrons, sugerindo que as propriedades desordenadas de um líquido de spin podem existir simultaneamente com o magnetismo ordenado.

"Líquidos de spin são modelos de desordem magnética. Foi muito emocionante ver as características de um líquido de spin em um ímã parcialmente ordenado. É realmente motivador pensar nas oportunidades fundamentais que isso oferece para a nossa compreensão da matéria condensada, "diz Jaubert.

O segundo marco neste campo de pesquisa ocorreu no início deste ano, quando uma publicação na Nature Physics mostrou que a teoria do Dr. Jaubert e colegas de trabalho se sustentava na observação experimental, usando o zirconato de neodímio de material magnético (Nd2Zr2O7). "Os resultados deste experimento confirmam a teoria que o Dr. Jaubert apresentou sobre a coexistência de ordem magnética e desordem em 2014, "diz o Dr. Owen Benton, um ex-pós-doutorado na Unidade de Teoria da Matéria Quântica, liderado pelo professor Nic Shannon.

Contudo, mais trabalho foi necessário para vincular esse novo experimento à ideia original de Jaubert. Para descobrir como o zirconato de neodímio pode ser ordenado e desordenado ao mesmo tempo, Benton começou a trabalhar no último marco desta pesquisa, teorizar um modelo microscópico apropriado para este material magnético. Usando seu modelo, Benton mostrou que o zirconato de neodímio existe em um estado ordenado e flutuante, tornando-o um tipo de ímã muito incomum.

O trabalho também mostra que o zirconato de neodímio está à beira de se tornar um líquido quântico de spin - um raro estado da matéria que abre uma porta dos fundos para o mundo quântico. Em um verdadeiro líquido de spin quântico, os spins de um material não apenas flutuariam em muitas direções diferentes em função do tempo, mas apontariam em muitas direções diferentes ao mesmo tempo.

"Se você pudesse mostrar que existe um líquido quântico de spin, seria como um exemplo do gato de Schrõdinger em um objeto grande, "diz Benton. O gato de Schrõdinger é um famoso experimento mental em física em que um gato em uma caixa lacrada com uma fonte radioativa está vivo e morto ao mesmo tempo. Assim como o gato existe em vários estados, ou seja, vivo e morto, simultaneamente, esta pesquisa abre caminho para encontrar ímãs reais que estão em muitos estados ao mesmo tempo.

"Este estudo também demonstra que podemos obter uma imagem muito completa da física do zirconato de neodímio usando um modelo, "diz Benton. Pesquisas teóricas e experimentais adicionais deste e de materiais relacionados podem revelar fenômenos ainda mais inesperados e emocionantes.