Dentro de um novo cristal exótico, o físico Martin Mourigal observou fortes indícios de ação "fantasmagórica", e muito disso. Os resultados de seus experimentos, se corroborado ao longo do tempo, significaria que o tipo de cristal é um novo material raro que pode abrigar um líquido de spin quântico.

Atualmente, acredita-se que apenas um pequeno punhado de materiais tenha essas propriedades. Este novo cristal foi sintetizado pela primeira vez há apenas um ano. A corroboração por outros físicos dos dados experimentais recém-produzidos de Mourigal pode levar uma década ou mais.

Confuso? Conheça a física quântica

Um "líquido" encontrado dentro de um objeto sólido pode parecer confuso para muitas pessoas.

Bem-vindo aos materiais quânticos, parte da zona crepuscular chamada física quântica, que os cientistas vêm lutando há um século para compreender um nanômetro de cada vez. Embora muito sobre isso ainda não tenha sido descoberto, a física quântica descreve a realidade subjacente da matéria.

O funcionamento dos computadores, celulares, supercondutores e aparelhos de ressonância magnética são baseados nele. Mas suas leis sobre o reino atômico desafiam a percepção humana do que é real, e alguns soam tão absurdos que se tornaram populares quebra-cabeças científicos.

'Líquido' em emaranhado 'assustador'

Considere o emaranhamento quântico, o núcleo da pesquisa de Mourigal sobre o cristal:se duas partículas, elétrons, por exemplo, tornar-se enredado, eles podem estar fisicamente separados por muitos quilômetros, e ainda estar intimamente ligados um ao outro. As ações aplicadas a uma partícula afetam instantaneamente a outra.

Inicialmente, esta teoria era muito estranha mesmo para o pai da relatividade, Albert Einstein, que satirizou isso como "ação assustadora à distância".

O emaranhamento já foi comprovado em experimentos, mas agora cientistas como Mourigal, um físico experimental do Instituto de Tecnologia da Geórgia, e sua equipe, levei muito mais longe. O cristal sintético que ele examinou, um composto de itérbio com a fórmula YbMgGaO4, provavelmente está repleto de conexões 'assustadoras' observáveis.

Mourigal, o ex-colega de pós-doutorado Joseph Paddison e o estudante de graduação Marcus Daum publicaram suas observações no jornal Física da Natureza na segunda-feira, 5 de dezembro, 2016. Eles colaboraram com colegas da University of Tennessee e do Oak Ridge National Laboratory. O trabalho foi financiado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Energia dos EUA.

Sonhos da computação quântica

Esse enorme emaranhado 'assustador' torna um sistema de elétrons um "líquido" de spin quântico. O termo não é usado no sentido comum, como na água. Aqui, descreve a natureza coletiva dos spins dos elétrons no cristal.

"Num líquido giratório, 'as direções dos spins não estão bem alinhadas, mas frenético, embora os spins estejam interconectados, enquanto em um spin 'sólido' as direções de spin têm uma organização limpa, "Disse Mourigal.

Se a descoberta permanecer, poderia abrir uma porta para centenas de materiais líquidos de spin quântico ainda desconhecidos que os físicos dizem que devem existir de acordo com a teoria e equações matemáticas. Em um futuro distante, novos materiais quânticos podem se tornar, pelos padrões de hoje, pedras de feiticeiro virtuais nas mãos de engenheiros de computação quântica.

Sucesso do cristal de itérbio de Pequim?

O cristal de itérbio foi sintetizado pela primeira vez há um ano por cientistas na China, onde o governo em Pequim investiu pesadamente na esperança de criar materiais quânticos sintéticos com propriedades inovadoras. Parece que agora eles conseguiram, disse Mourigal, professor assistente na Escola de Física da Georgia Tech.

"Imagine um estado da matéria onde este emaranhamento não envolve dois elétrons, mas envolve, três, cinco, 10 ou 10 bilhões de partículas no mesmo sistema, "Mourigal disse." Você pode criar um muito, estado da matéria muito exótico baseado no fato de que todas essas partículas estão emaranhadas umas com as outras. Não existem mais partículas individuais, mas um enorme conjunto de elétrons agindo coletivamente. "

Um dos únicos líquidos de spin quântico aparentes previamente observados ocorre em um cristal natural chamado herbertsmithita, uma pedra verde esmeralda encontrada em 1972 em uma mina no Chile. Foi nomeado após o mineralogista Herbert Smith, que morreu quase 20 anos antes da descoberta.

Os pesquisadores observaram sua natureza líquida de spin aparente em 2012, depois que os cientistas do Massachusetts Institute of Technology conseguiram reproduzir uma peça purificada do cristal em seu laboratório.

Enciclopédia de líquidos de spin

Essa descoberta inicial foi apenas o começo de uma Odisséia. Por causa de sua composição química, herbertsmithite produz apenas um único esquema de emaranhamento. A matemática da física diz que deve haver uma infinidade de mais.

"Encontrar herbertsmithite era como dizer, 'animais existem.' Mas existem tantas espécies diferentes de animais, ou mamíferos, ou peixe, répteis e pássaros, "Mourigal disse." Agora que encontramos um, procuramos diferentes tipos de líquidos de spin. "

Quanto mais líquidos de spin os físicos confirmam, os físicos mais teóricos serão capazes de usá-los para dobrar suas mentes em torno da física quântica. “É importante criar a enciclopédia deles, "Mourigal disse." Este novo cristal pode ser apenas nossa segunda ou terceira entrada. "

O que o espalhamento de nêutrons revelou

Físicos da Universidade do Tennessee conseguiram replicar o cristal de itérbio original, e Mourigal o examinou no Oak Ridge National Laboratory (ORNL), onde foi resfriado a uma temperatura de -273,09 graus Celsius (0,06 graus Kelvin).

O resfriamento desacelerou o movimento natural dos átomos até quase parar, o que permitiu aos pesquisadores observar a dança dos spins do elétron em torno dos átomos de itérbio (Yb) no cristal YbMgGaO4. Eles usaram um poderoso ímã supercondutor para alinhar os giros de maneira ordenada para criar um ponto de partida para suas observações.

"Então removemos o campo magnético, e deixá-los voltar ao seu tipo especial de agitação, "Mourigal disse. Sua equipe realizou as observações na Fonte de Nêutrons de Espalação ORNL, uma facilidade do usuário do Departamento de Energia do Departamento de Ciência dos Estados Unidos. SNS tem quase o poder e o tamanho de um supercolider de partícula, e permitiu que os cientistas assistissem ao concerto dos giros dos elétrons, bombardeando-os com nêutrons.

Normalmente, quando um elétron inverte seu spin, pesquisadores esperariam que ele criasse uma reação em cadeia pura, resultando em uma onda que atravessa o cristal. A onda de elétrons girando em sequência pode se parecer com torcedores em um jogo de futebol em pé e sentados para fazer uma onda contornar o estádio.

Mas algo estranho aconteceu. "Este tipo confuso de onda de spin se dividiu em muitas outras ondas, porque tudo é coletivo, tudo está emaranhado, "Disse Mourigal." Era um continuum de excitações, mas quebrando em muitos elétrons de uma vez. "

Foi qualitativamente semelhante ao que foi observado usando a mesma técnica em herbertsmithite.

Donut de topologia Prêmio Nobel

Para autenticar as observações feitas pela equipe de Mourigal, físicos teóricos terão que triturar os dados com métodos que, em parte, dependem da topologia, foco do Prêmio Nobel de Física 2016. Mourigal acha que as chances são de que passem na prova. "À primeira vista, este material está gritando, 'Eu sou um líquido quântico de spin, '" ele disse.

Mas deve passar por uma longa bateria de testes matemáticos rigorosos. Os físicos teóricos envolverão os dados em um "donut" matemático para confirmar se é ou não um líquido quântico de spin.

"Isso é sério, "Mourigal disse." Como um exercício mental matemático, eles praticamente espalham o líquido de rotação em torno de uma forma de rosquinha, e a forma como ele responde a estar em uma rosquinha diz algo sobre a natureza desse líquido giratório. "

Embora as partículas emaranhadas pareçam desafiar o espaço e o tempo, a forma do espaço que ocupam afeta a natureza do padrão de emaranhamento.

A possibilidade de um líquido de spin quântico foi demonstrada pela primeira vez na década de 1930, mas apenas usando átomos colocados em uma linha reta. Os físicos têm procurado nas décadas desde então materiais que os contenham.