ThALES. Crédito:R. Cubitt, DOENTE
Na física moderna do século passado, compreender as propriedades eletrônicas e as interações entre os elétrons dentro da matéria tem sido um grande desafio. Os elétrons são responsáveis pela ligação química entre os átomos e quase todos os fatores que caracterizam um pedaço de matéria, como cor, transporte de calor, condutividade e magnetismo. Uma propriedade elementar dos elétrons é o spin, e a combinação de spins eletrônicos no nível atômico pode induzir um momento magnético em certos átomos, que constituem o material. Esses momentos podem somar forças magnéticas macroscópicas.
Como o magnetismo é a pegada do comportamento interativo dos elétrons, estudá-lo no nível atômico nos informa sobre o comportamento eletrônico coletivo no ambiente atômico. Isso pode explicar as propriedades eletrônicas observadas macroscopicamente, como a dependência da condutividade com a temperatura.
No nível atômico, íons magnéticos são compactados e, portanto, influenciam-se mutuamente, resultando na adoção de uma ordem magnética comum para minimizar seu balanço de energia. Uma ligeira perturbação leva a uma onda de spin, em que uma oscilação de um momento magnético em torno de seu eixo central induz perturbações oscilantes com uma ligeira mudança de fase nos vizinhos atômicos. Ondas de spin são rotineiramente observadas em materiais magnéticos ordenados por espalhamento inelástico de nêutrons (INS) em espectrômetros no Institut Laue-Langevin (ILL).
Fazendo a transição de um mundo clássico para um mundo magnético quântico
O momento magnético é caracterizado por seu número de spin. Quanto maior o número de giro, o mais apropriado é comparar o momento magnético atômico com um ímã clássico. Abaixar o spin significa acentuar suas propriedades quânticas; explorando a transição para o mundo quântico, que é fundamentalmente diferente do cotidiano, mundo macroscópico, é um dos desafios mais emocionantes da física do estado sólido.
O exemplo mais citado são os momentos de spin -1/2 colocados no canto de um triângulo equidistante. Devido à sua natureza quântica, um giro só pode apontar para cima ou para baixo em relação ao seu eixo local. Uma troca magnética entre os momentos de spin, que é de natureza antiferromagnética, força-os a se alinharem antiparalelos entre si. Como um ímã quântico não pode ordenar, em vez de adotar um estado fundamental, vários estados são igualmente prováveis (6 no caso do triângulo), e os spins estão em um estado superposicionado apontando em várias direções ao mesmo tempo.
A combinação de triângulos equidistantes leva a uma rede bidimensional de spins. Seu estado fundamental, ou seja, o arranjo de rotação com o menor custo de energia possível, desafiou teóricos por décadas. Em 1973, nobre laureado P.W. Anderson propôs um chamado 'estado líquido de spin quântico, 'que é conceitualmente completamente diferente das fases magnéticas ordenadas. Anderson argumentou que para um sistema triangular, é energeticamente mais favorável que os spins se organizem em laços. Nessas ligações de valência, elétrons são mecanicamente "enredados", 'um estado puramente mecânico quântico. Uma superposição de uma variedade de padrões de ligação existe em paralelo e as ligações flutuam devido a um princípio de mecânica quântica, que impõe movimentos de ponto zero nas partículas. Este estado é denominado estado Resonant Valence Bond (RVB).
O espalhamento de nêutrons fornece prova experimental para o estado RVB
Aqui no ILL, dois espectrômetros frios de três eixos, IN14 e IN12, contribuiu ao longo de décadas para a descoberta e desvendamento de correlações magnéticas em supercondutores clássicos e não convencionais, cristais multiferróicos e uma ampla gama de cristais de baixa dimensão, frustrados e sistemas magnéticos quânticos. Como ambos os instrumentos datam da década de 1980, eles precisavam de uma reforma completa para poderem continuar contribuindo para o progresso científico nessas áreas. A realocação e reforma do novo espectrômetro IN12 foi concluída em 2012, e no final de 2014, o espectrômetro IN14 foi substituído por seu sucessor, ThALES.
ThALES, Instrumento de três eixos para espectroscopia de baixa energia, é um espectrômetro de três eixos de nêutron frio de próxima geração que se baseia nos pontos fortes de seu antecessor, IN14, mas usa ótica de nêutrons de última geração. O projeto ThALES é uma colaboração entre o ILL e a Charles University, Praga, e é financiado pelo Ministério da Ciência e Educação da República Tcheca.
Depois de substituir o IN14, ThALES se tornou a nova referência para espectroscopia de nêutrons de cristal único frio em uma fonte de nêutrons em estado estacionário como o reator ILL. ThALES foi totalmente otimizado para abordar a física de sistemas eletrônicos altamente correlacionados e problemas científicos no campo do magnetismo quântico. Além disso, a flexibilidade do espectrômetro foi aprimorada por meio da implementação de vários elementos ópticos.
Os principais objetivos do ThALES são:
O ThALES foi usado para realizar medições de INS em um estudo recente conduzido por uma colaboração de cientistas, incluindo Martin Boehm do ILL, atual coordenador da rede de nêutrons SINE2020, financiada pela UE. O estudo publicado na Nature, intitulado 'Evidência para uma superfície de Fermi spin em um candidato quântico-spin líquido de rede triangular, 'argumentou que o antiferroímã de rede triangular YbMgGaO4 tem o estado fundamental RVB líquido de spin quântico há muito procurado. Este estudo foi o primeiro a usar o espalhamento de nêutrons como meio de fornecer prova experimental para o estado RVB.
O esforço experimental para descobrir o estado fundamental RVB aumentou consideravelmente desde P.W. Anderson sugeriu que isso poderia explicar o fenômeno da supercondutividade em uma classe de materiais que mostram temperaturas de transição particularmente altas entre um estado normal de condução e o estado supercondutor. Contudo, fornecer prova experimental para a existência do estado RVB é muito desafiador, porque embora um sistema magneticamente ordenado tenha uma resposta experimental clara, o estado RVB é caracterizado pela ausência de uma quantidade mensurável.
Devido à falta de uma quantidade mensurável, a abordagem experimental deste estudo, usando ThALES, seleção de prova experimental indireta, excitando deliberadamente o estado fundamental com nêutrons e medindo a resposta dinâmica. De acordo com as expectativas teóricas, o líquido de rotação excitado se comporta de maneira exótica, 'significando que o estado excitado é explicado por spinons com propriedades muito incomuns. Spinons podem reorganizar a distribuição de ligações de valência e viajar por todo o plano triangular com uma quantidade mínima de energia.
Em um processo de espalhamento entre o nêutron e o líquido de spin, a lei de conservação do momento total impõe a criação de dois spin-1/2 spinons no líquido. Este par de spinons viaja em direções opostas com uma quantidade total de energia igualando a perda de energia de nêutrons no processo de espalhamento. Usando o espectrômetro ThALES, é possível rastrear a direção e as energias dos spinons medindo a direção e a energia do nêutron que criou o par de spinons. Desta maneira, este estudo traçou uma paisagem dinâmica completa do líquido quântico de spin no plano triangular, e comparou as medições com as previsões teóricas, que deu forte evidência da existência da fase líquida de spin em YbMgGaO4.
Esta pesquisa é importante porque um estado líquido de spin quântico da matéria é potencialmente relevante para aplicações de informação quântica. Além disso, a identificação experimental de um estado líquido de spin quântico contribui muito para a nossa compreensão da matéria quântica.
