Alexei Tsvelik, um físico teórico do Brookhaven Lab, usa as mãos para demonstrar dois arranjos quirais diferentes de momentos magnéticos de três elétrons próximos. Essa ideia de quiralidade, ou lateralidade, também é usado para descrever orientações de imagem espelho de átomos em moléculas, como mostrado na tela do computador de Tsvelik. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Conforme os cientistas exploraram a estrutura e as propriedades da matéria em níveis cada vez mais profundos, eles descobriram muitos novos materiais exóticos, incluindo supercondutores que transportam corrente elétrica sem resistência, cristais líquidos que se alinham para produzir telas dinâmicas brilhantes, e materiais exibindo várias formas de magnetismo. No entanto, algumas formas exóticas de matéria existem apenas em teoria, previsto por cientistas com base no que aprenderam nesses níveis mais profundos. Agora, um par de físicos fornece um roteiro teórico que pode apontar para a descoberta de um tal estado exótico magneticamente ordenado, apelidado de "líquido de rotação quiral".
"Esta forma de matéria foi sugerida pela primeira vez há cerca de 30 anos como um tipo particular de ordem magnética sem uma direção global definida de momentos magnéticos, "disse Alexei Tsvelik, um teórico do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA. "Mas sua descoberta permaneceu um sonho, até agora."
Em um novo artigo aceito como sugestão dos editores pela revista Cartas de revisão física , Tsvelik e o co-autor Oleg Yevtushenko, da Ludwig Maximilian University, na Alemanha, descrevem os requisitos gerais que esse sistema magnético deve satisfazer. Eles também fornecem sugestões específicas sobre onde e como pesquisar exemplos reais de líquidos de spin quirais.
Procurando por pedido
Para um exemplo simples de como as propriedades da matéria emergem da "ordem" entre seus blocos de construção, pense em como a temperatura influencia o arranjo das moléculas de água. Você obtém propriedades dramaticamente diferentes dependendo se as moléculas são livres para se mover como vapor, resfriado para fluir coletivamente como um líquido, ou bloqueado em posições definidas em um sólido cristal de gelo.
"Nesse caso simples, a ordem cristalina pode ser vista a olho nu, "Disse Tsvelik." Mas os físicos estão sempre em busca de algo mais sutil e sofisticado, "como a ordem nas orientações dos momentos magnéticos dos elétrons.
Os elétrons têm uma propriedade chamada spin, algo análogo ao giro de um pião de brinquedo. O eixo de rotação determina para qual direção o spin está apontando, e faz os elétrons individuais agirem como pequenos ímãs. Em um material como o ferro, quando as direções dos momentos magnéticos microscópicos dos elétrons estão alinhadas, você obtém magnetismo na escala macroscópica.
O polegar e os dois primeiros dedos nas mãos de Tsvelik mostram as orientações relativas de três elétrons próximos cujos momentos magnéticos apontam em ângulos retos entre si - como o x, y, eixos z em um gráfico 3-D. Em um "líquido giratório quiral, "os físicos esperariam encontrar essa ordem local entre os momentos magnéticos do elétron, e apenas um dos dois arranjos quirais possíveis, sem uma ordem global definida. Crédito:Laboratório Nacional de Brookhaven
Em um líquido giratório quiral, Contudo, os cientistas não estão procurando por essa ordem magnética de longo alcance. Em vez disso, procuram um tipo específico de ordem magnética local entre grupos de três elétrons vizinhos.
"O que queremos é um arranjo onde três momentos magnéticos vizinhos formem uma tríade com suas orientações fixas em relação uma à outra, mas não há orientação global, "Disse Tsvelik. Ele usa a mão direita para demonstrar as orientações relativas, com o polegar e o dedo indicador formando um L e o dedo médio apontando diretamente para fora da palma, todos em ângulos retos uns com os outros - como ox, y, eixos z em um gráfico tridimensional.
Usar a mão é um adereço adequado porque demonstra facilmente que um arranjo de imagem espelhada pode ser obtido usando a mão esquerda em vez da direita. Esses dois arranjos diferentes são exemplos de quiralidade positiva e negativa, uma palavra que físicos e químicos usam para descrever a "destreza" das estruturas tridimensionais. Uma vez pedido, o líquido de rotação escolhe espontaneamente uma quiralidade particular, Tsvelik disse.
Com base em sua compreensão das propriedades do material, os cientistas previram quais propriedades os líquidos de spin quirais com tais arranjos deveriam ter, e então usou cálculos teóricos para apoiar suas idéias. O artigo inclui até a fórmula química de um material específico que eles gostariam que pesquisadores experimentais explorassem.
Em essência, Tsvelik disse, o material deve ser um metal em camadas, onde os spins estão localizados em camadas bem separadas e onde os momentos magnéticos localizados podem coexistir com elétrons de condução. Ele também deve responder fortemente a um campo magnético não uniforme com uma periodicidade particular - semelhante à maneira como as vibrações externas da voz de um cantor de ópera podem estilhaçar um vidro que vibra na mesma frequência de ressonância da nota. Mas não espere que o metal se estilhace, Tsvelik disse.
O que podemos esperar se um líquido giratório quiral for descoberto? Tsvelik não tem previsões específicas.
"Se você olhar para a história da ciência - da descoberta da mecânica ao elétron à divisão do átomo - ela nunca foi impulsionada por aplicações. Muitas vezes, as aplicações eventualmente surgem, mesmo os gigantes, como aqueles que desencadearam a Revolução Industrial, que surgiu com as descobertas de Newton. Mas não é isso que impulsiona a ciência, " ele disse.
