Usando um novo método computacional, uma colaboração internacional teve sucesso pela primeira vez na investigação sistemática dos efeitos quânticos magnéticos no conhecido modelo de pirocloro 3-D de Heisenberg. A descoberta surpreendente:as fases quânticas físicas são formadas apenas para pequenos valores de spin.

Os átomos e moléculas em sólidos cristalinos são arranjados em redes tridimensionais regulares. Os átomos interagem entre si por meio de várias forças, finalmente alcançando um estado de energia mínima. Quase zero absoluto, as oscilações da rede congelam, de modo que as interações entre os spins do elétron dominem. Um caso particularmente interessante ocorre quando os spins não podem se alinhar todos ao mesmo tempo para atingir um estado de energia mais baixa. Isso resulta em um sistema frustrado no qual os giros são quase completamente desordenados e, portanto, chamados de líquido de giro.

Estrutura de cristal cúbico

Um dos principais modelos para estudar ímãs quânticos frustrados em 3-D é o modelo de Heisenberg em uma rede de pirocloro - uma estrutura cristalina cúbica simples (veja a ilustração). No entanto, até agora tem sido extremamente difícil derivar previsões práticas, ou seja, para materiais e temperaturas específicas, a partir deste modelo teórico.

Equipes da Alemanha, Japão, Canadá, e a Índia já conduziu conjuntamente investigações sistemáticas desse modelo com o auxílio de um novo método teórico e resolveu várias dessas dificuldades. É possível com este novo método variar o valor de spin dos átomos da rede, bem como a temperatura e outros parâmetros de interação, e calcular os intervalos de parâmetros nos quais ocorrem novos efeitos quânticos magnéticos. Os cálculos foram realizados no Leibniz Supercomputing Center (LRZ) em Munique.

Efeitos quânticos apenas para pequenos spins

"Fomos capazes de mostrar que efeitos físicos quânticos surpreendentemente só ocorrem em intervalos de parâmetros muito limitados", explica o físico teórico Prof. Johannes Reuther do HZB, co-autor do estudo. Esses efeitos quânticos são mais pronunciados no menor spin possível (valor de spin ½). Contudo, os sistemas de spin na estrutura cristalina investigados pelas equipes já se comportam quase completamente como sistemas físicos clássicos com valores de spin de 1,5 e acima.

O trabalho publicado aprofunda nosso conhecimento sobre sólidos e contribui para o avanço sistemático da busca por fluidos de spin 3-D em materiais quânticos.