Resfrie um material a temperaturas suficientemente baixas e ele buscará alguma forma de ordem coletiva. Adicione a mecânica quântica ou confine a geometria e os estados da matéria que emergem podem ser exóticos, incluindo elétrons cujos spins se organizam em espirais, cataventos, ou cristais.

Em um par recente de publicações em Nature Communications , equipes lideradas por Thomas F. Rosenbaum do Caltech, professor de física e titular da cadeira presidencial Sonja e William Davidow, relatam como eles combinaram campos magnéticos e grandes pressões para não apenas induzir esses estados em temperaturas ultrabaixas, mas também para empurrá-los entre tipos concorrentes de ordem quântica.

Rosenbaum é um especialista na natureza mecânica quântica dos materiais - a física da eletrônica, magnético, e materiais ópticos no nível atômico - que são melhor observados em temperaturas próximas do zero absoluto. No primeiro dos dois artigos, publicado em junho e liderado por Sara Haravifard, agora no corpo docente da Duke University, a equipe comprimiu uma coleção de partículas quânticas magnéticas em uma célula de pressão em temperaturas próximas do zero absoluto e em campos magnéticos de mais de 50, 000 vezes mais forte que o campo terrestre, e descobriu a formação de novos tipos de padrões de cristal. A geometria desses padrões de cristal não apenas revela a mecânica quântica subjacente das interações entre as partículas magnéticas, mas também influencia os tipos de estados coletivos permitidos para sistemas atômicos, como aqueles que fluem sem atrito.

No trabalho do segundo artigo, publicado em outubro e liderado pelo estudante de graduação do Caltech Yishu Wang e pelo cientista de Argonne Yejun Feng, Rosenbaum e seus colegas também investigam como os materiais se equilibram no fio da navalha entre os diferentes tipos de ordem quântica. Nesse caso, Contudo, os pesquisadores se concentram na relação entre magnetismo e supercondutividade - o desaparecimento completo da resistência elétrica - e como essas propriedades se relacionam entre si quando o material muda de estado sob as pressões alcançáveis ​​em uma célula de bigorna de diamante.

Os pesquisadores usaram a Fonte Avançada de Fótons no Laboratório Nacional de Argonne para estudar as propriedades magnéticas do metal de transição fosfeto de manganês (MnP) para ver como pode ser possível manipular a ordem dos spins - os momentos magnéticos intrínsecos dos elétrons - para qualquer um aumentar ou suprimir o início da supercondutividade.

Supercondutividade é um estado em um material no qual não há resistência à corrente elétrica e todos os campos magnéticos são expelidos. Este comportamento surge de um chamado "estado quântico macroscópico", onde todos os elétrons em um material agem em conjunto para se mover cooperativamente através do material sem perda de energia.

Rosenbaum e seus colegas delinearam um padrão espiral dos momentos magnéticos dos elétrons em MnP que poderia ser ajustado aumentando a pressão para induzir a supercondutividade. Aqui, novamente, a geometria particular do padrão magnético detinha a chave para o estado final que o material alcançava. "Os experimentos revelam oportunidades manifestas de encontrar novos estados de baixa energia por meio de substituições de manganês e fósforo por elementos vizinhos da tabela periódica, como cromo e arsênico. A taxonomia dos estados quânticos permitidos e a capacidade de manipulá-los unem abordagens da física quântica e tecnologia, "Rosenbaum diz.

O primeiro artigo, "Cristalização de superredes de spin com pressão e campo no ímã em camadas SrCu2 (BO3) 2, "foi publicado em 20 de junho, 2016. Os co-autores incluem Daniel M. Silevitch, professor pesquisador de física na Caltech. O trabalho na Caltech foi apoiado pela National Science Foundation. A pesquisa no segundo artigo, intitulado "Ordem magnética espiral e supercondutividade induzida por pressão em compostos de metal de transição" e publicado em 6 de outubro, foi fundado na Caltech por um prêmio do Departamento de Energia das Ciências Básicas de Energia dos Estados Unidos.