Um estado indescritível da matéria - líquido quântico de spin - pode realmente ser intensificado em vez de suprimido pela desordem, como visto em um composto que contém praseodímio, zircônio, e oxigênio (Pr2Zr2O7). Neste material, os íons de praseodímio com momentos magnéticos (setas verdes na imagem à direita) ocupam uma rede de tetraedros de canto compartilhado. A assinatura de um líquido de spin quântico é a persistência da intensidade de espalhamento de nêutrons inelásticos para w> 0 (esquerda) próximo ao zero absoluto (temperatura). A variação na intensidade com o aumento do campo magnético (de baixo para cima) indica que um distúrbio fraco pode prevenir o congelamento do spin e promover um estado líquido de spin quântico. Crédito:Departamento de Energia dos EUA
A desordem é geralmente considerada prejudicial para a criação de materiais com magnetismo incomum ou outros fenômenos quânticos. Contudo, uma equipe descobriu que a desordem fraca estabiliza surpreendentemente um estado quântico raro chamado líquido de spin quântico. Neste estado, flutuações de spins eletrônicos persistem até temperaturas próximas do zero absoluto. O material específico é feito de praseodímio, zircônio, e oxigênio (Pr2Zr2O7). O material contém íons de terras raras (Pr3 +) com um número par de elétrons em uma rede cristalina fracamente desordenada. Enquanto a rede cristalina frustra o magnetismo convencional, a desordem fraca promove o raro estado líquido de spin quântico.
A descoberta de que a desordem fraca pode induzir esse estado raro abre uma nova direção na busca por um líquido de spin quântico prático. Este estado da matéria pode ser útil como blocos de construção para computadores quânticos. Esses computadores podem ser ordens de magnitude mais rápidos do que os computadores de hoje. Essa velocidade se traduz em poder computacional para resolver problemas que não podem ser resolvidos de forma viável hoje.
Um raro estado da matéria chamado líquido de spin quântico, proposto há mais de 40 anos, está sendo buscado por suas propriedades físicas únicas. Em um líquido de spin quântico, os giros eletrônicos não formam um padrão ordenado estático como nos materiais magnéticos convencionais, mas flutuam de forma coordenada (emaranhada), mesmo em temperaturas extremamente baixas. Mas será que tais estados de flutuação quântica da matéria podem existir em materiais práticos que são inevitavelmente desordenados e informações quantitativas sobre eles podem ser extraídas de experimentos de espalhamento de nêutrons?
Para responder a essas questões, uma equipe de pesquisadores liderada pela Universidade Johns Hopkins estudou um óxido de pirocloro com a fórmula química Pr2Zr2O7. O magnetismo convencional é frustrado pela geometria da rede do pirocloro quando os íons magnéticos ocupam um local específico na rede do cristal e isso pode levar a estados magnéticos exóticos. Combinando a síntese de estado sólido, crescimento de cristal único de alta qualidade, e espalhamento avançado de nêutrons, esta pesquisa revelou a presença de um líquido quântico de spin em Pr2Zr2O7.
Os dados de espalhamento de nêutrons inelásticos mostram a assinatura para este estado raro onde uma banda de (inelástico, w> 0) a intensidade de espalhamento persiste em temperaturas próximas do zero absoluto. Esta pesquisa aponta para um novo paradigma que, em níveis apropriados, desordem estrutural fraca pode realmente promover a formação de um líquido de spin quântico com spins eletrônicos emaranhados. Essa capacidade de manipular e induzir o magnetismo quântico, apesar da desordem, pode abrir caminho para materiais novos e mais práticos com o líquido de spin quântico indescritível para aplicações incluindo computação quântica.
