Muitos fenômenos físicos podem ser modelados com matemática relativamente simples. Mas, no mundo quântico, há um grande número de fenômenos intrigantes que emergem das interações de múltiplas partículas - "muitos corpos" - que são notoriamente difíceis de modelar e simular, mesmo com computadores potentes. Exemplos de estados quânticos de muitos corpos sem análogo clássico incluem supercondutividade, superfluidos, Condensação de Bose-Einstein, plasmas de quark-gluon etc. Como resultado, muitos modelos de "muitos corpos quânticos" permanecem teóricos, com pouco apoio experimental. Agora, cientistas da EPFL e do Paul Scherrer Institut (PSI) realizaram experimentalmente um novo estado quântico de muitos corpos em um material que representa um famoso modelo teórico denominado modelo "Shastry-Sutherland". O trabalho é publicado em Física da Natureza .

Embora existam vários modelos unidimensionais de muitos corpos que podem ser resolvidos exatamente, há apenas um punhado em duas dimensões (e ainda menos em três). Esses modelos podem ser usados ​​como faróis, orientar e calibrar o desenvolvimento de novos métodos teóricos.

O modelo Shastry-Sutherland é um dos poucos modelos 2D que têm uma solução teórica exata, que representa o emaranhamento de pares quânticos de momentos magnéticos em uma estrutura de rede quadrada. Quando concebido, o modelo Shastry-Sutherland parecia uma construção teórica abstrata, mas notavelmente foi descoberto que este modelo é realizado experimentalmente no material Sr2Cu (BO3) 2.

Mohamed Zayed no laboratório de Henrik Rønnow na EPFL e Christian Ruegg no PSI descobriram que a pressão poderia ser usada para afinar o material da fase Shastry-Sutherland de tal maneira que uma chamada fase quântica de transição para um quântico completamente novo muitos o estado do corpo foi alcançado.

Ao contrário das transições de fase clássicas, como gelo (sólido) derretendo em água líquida e, em seguida, evaporando como um gás, as transições de fase quântica descrevem mudanças nas fases quânticas na temperatura do zero absoluto (273,15 ° C). Eles ocorrem por causa de flutuações quânticas que são desencadeadas por mudanças nos parâmetros físicos - neste caso, a pressão.

Os pesquisadores foram capazes de identificar o novo estado quântico usando espectroscopia de nêutrons, que é uma técnica muito poderosa para investigar propriedades magnéticas de materiais quânticos e materiais tecnológicos semelhantes. A combinação de espectroscopia de nêutrons e altas pressões é muito desafiadora, e este experimento está entre os primeiros a fazê-lo para um estado quântico complexo.

No modelo Shastry-Sutherland, os ímãs atômicos - surgindo dos spins dos elétrons do átomo - são emaranhados quânticos em pares de dois. Os pesquisadores descobriram que na nova fase quântica os ímãs atômicos aparecem emaranhados quânticos em conjuntos de quatro - os chamados singletes de plaquetas. "Este é um novo tipo de transição de fase quântica, e embora tenha havido uma série de estudos teóricos sobre isso, nunca foi investigado experimentalmente, "diz Rønnow." Nosso sistema pode permitir investigações adicionais sobre este estado e a natureza da transição para o estado. "

A necessidade de alta pressão limita o que é experimentalmente viável no momento. Contudo, Rønnow e Ruegg estão construindo um novo espectrômetro de nêutrons (CAMEA) no Instituto Paul Scherrer, que estará pronto no final de 2018, bem como outro na European Spallation Source na Suécia, que entrará em operação em 2023. O estado de 4 spin no borato de estrôncio e cobre estará entre os primeiros experimentos para essas novas máquinas. Como uma próxima etapa, experimentos combinando pressão e campos magnéticos podem dar acesso a fases ainda não descobertas em materiais quânticos.

"A física quântica de muitos corpos permanece um desafio onde a teoria apenas arranhou a superfície de como lidar com ela, "diz Rønnow." Métodos melhores para lidar com fenômenos quânticos de muitos corpos teriam implicações desde a ciência dos materiais até a tecnologia da informação quântica. "