Em trabalho publicado em Cartas de revisão física , cientistas da RIKEN no Japão descobriram novas propriedades magnéticas interessantes de um tipo de material conhecido como "gelo de spin quântico". Esses materiais demonstram propriedades interessantes à medida que se comportam como "ímãs frustrados" - sistemas que podem se estabelecer em vários estados magnéticos por causa de sua geometria especial. Uma propriedade importante desses materiais é que eles têm monopólos virtuais - partículas que estão ao norte ou ao sul, mas não como ímãs típicos, que invariavelmente têm um pólo norte e um pólo sul confinados juntos.
Usando simulações numéricas, o grupo mostrou como um campo magnético pode ser usado para controlar as propriedades dos pólos norte e sul, que são fracionados a partir de momentos magnéticos de elétrons, em um ímã frustrado chamado gelo de spin quântico.
O grupo propôs pela primeira vez um modelo para gelo de spin quântico - gelo de spin baseado em propriedades quânticas - em 2010, a fim de descrever as propriedades magnéticas de baixa energia dos piróclores magnéticos de terras raras - um tipo de mineral que apresenta propriedades físicas interessantes. Em 2012, experimentos mostraram que este modelo era válido. Este sistema inclui um estado líquido de spin quântico onde os spins - a propriedade dos elétrons que levam às propriedades magnéticas - são impedidos de ordenar e congelar por movimento de ponto zero, um tipo de movimento permitido mesmo em temperatura zero sob a mecânica quântica, de seus monopólos. Uma vez que as cargas monopolo estão sujeitas a uma lei de conservação, o movimento dos pólos norte e sul afeta diretamente a direção dos momentos magnéticos no sistema. Além disso, cargas elétricas não são transportadas por esses monopólos, e, portanto, a corrente monopolo não é acompanhada por uma corrente elétrica que levaria a uma grande perda de energia por meio do calor de Joule. "Por causa disso, "diz Shigeki Onoda, o líder do grupo, "a corrente monopolo oferece uma maneira potencialmente eficiente de controlar ímãs sem perdas."
Através deste trabalho, os pesquisadores revelaram que há transições sucessivas do estado líquido de spin quântico se um campo magnético é aplicado em uma direção especial ao longo da qual as camadas da rede kagome e as camadas da rede triangular são empilhadas umas sobre as outras. Primeiro, a magnetização do sistema aumenta suavemente para um valor de dois terços do valor máximo no estado líquido de spin quântico, e então permanece nesse nível em uma faixa finita da intensidade do campo, que é chamado de platô de magnetização 2/3. Neste estado de planalto, o movimento do ponto zero dos monopólos é espacialmente confinado e localizado, e, portanto, este estado não pode hospedar uma corrente monopolo coerente. Contudo, conforme a intensidade do campo magnético é aumentada, a magnetização do material eventualmente começa a subir novamente e concomitantemente, as cargas monopolo tornam-se desproporcionais e mostram uma superfluidez. Este é um análogo magnético de um supersólido em hélio 4, onde os átomos mostram uma distribuição espacial não uniforme e uma superfluidez, que suporta corrente sem atrito e, portanto, sem dissipação, em temperatura extremamente baixa. A fase supersólida monopolo sobrevive até que a magnetização sature ao valor máximo.
De acordo com Onoda, "Nosso trabalho indica que a condutividade associada à corrente monopolo pode ser substancialmente controlada pela aplicação de um campo magnético ao gelo de spin quântico e que é possível hospedar a corrente monopolo sem dissipação na fase supersólida monopolo. Nossos resultados também podem abrir uma nova rota para o controle eficiente do magnetismo para uma gama de aplicações potenciais, como dispositivos de memória. "
