As pessoas não são as únicas ocasionalmente frustradas. Alguns cristais também mostram frustrações. Eles fazem isso sempre que seus ímãs elementares, os giros magnéticos, não pode alinhar corretamente. Cloreto de césio e cobre (Cs ₂ CuCl ₄ ) - ou simplesmente CCC - é um excelente exemplo de materiais frustrados. Neste cristal, os átomos magnéticos de cobre residem em uma rede triangular e procuram alinhar-se antiparalelos entre si. Em um triângulo, isso não funciona, Contudo. Essa frustração geométrica desafia os físicos. Afinal, ele promete a descoberta de novos fenômenos magnéticos que podem até ser usados ​​para computadores quânticos no futuro. Para investigar e compreender melhor os fundamentos subjacentes, físicos do Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) na Alemanha, apoiado por colegas japoneses e americanos, agora pode controlar o acoplamento magnético usando um método de medição elegante.

"Nosso objetivo é elucidar os complexos processos quânticos em cristais geometricamente frustrados em detalhes, "explica o Dr. Sergei Zvyagin do Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden no HZDR. Teorias sobre o comportamento magnético de cristais como o CCC são abundantes. Mas, até agora, faltam experimentos sofisticados para testar essas teorias no próprio objeto. Para este fim, é útil alterar deliberadamente a força das interações entre os átomos magnéticos.

Os físicos em muitos laboratórios costumam seguir um caminho tedioso:eles produzem cristais com frustração geométrica em uma composição química ligeiramente diferente. Isso muda a interação magnética entre os ímãs elementares, mas às vezes também - involuntariamente - a estrutura cristalina. Zvyagin deixou este laborioso, caminho puramente químico para um conhecimento mais profundo. Em vez de, ele usou altas pressões. Sob estas condições, a força do acoplamento dos spins magnéticos pode ser alterada quase continuamente.

"Com o novo método, podemos controlar os parâmetros de acoplamento dentro do cristal e, simultaneamente, medir os efeitos nas propriedades magnéticas, "diz Sergei Zvyagin. Ele recebeu os cristais CCC por seus experimentos do grupo do Dr. Hidekazu Tanaka no Instituto de Tecnologia de Tóquio. Com um comprimento de borda de apenas alguns milímetros e sua translucidez laranja cintilante, eles lembram mais pedras preciosas granadas brilhantes do que cristais artificiais cultivados em laboratório.

Também no Japão, na Tohoku University em Sendai, Zvyagin e seus colegas colocaram os cristais em uma prensa de alta pressão com pistões feitos de óxido de zircônio de alta resistência. Os pesquisadores aumentaram gradualmente a pressão para cerca de dois gigapascais - uma pressão semelhante à exercida pelo peso de um carro em uma superfície do tamanho de uma grafite colorida.

"Sob esta pressão, as distâncias entre os átomos mudaram muito pouco, "diz Zvyagin." Mas as propriedades magnéticas do cristal mostraram uma mudança drástica. "Os pesquisadores foram capazes de medir essas mudanças diretamente usando a ressonância de spin do elétron (ESR). Eles determinaram a transmitância da luz (ou mais precisamente, microondas) em um campo magnético externo muito forte de até 25 Tesla - cerca de meio milhão de vezes mais forte do que o campo magnético da Terra. Além disso, o cristal teve que ser ultracongelado a -271 graus Celsius, quase ao zero absoluto, a fim de evitar efeitos perturbadores causados ​​pelo calor.

Essas medições em um forte campo magnético externo revelaram as propriedades magnéticas muito incomuns do material. Os pesquisadores foram capazes de variar a força do acoplamento entre spins magnéticos vizinhos, alterando a pressão. Medições adicionais usando um método adicional de pesquisa de materiais - a técnica do oscilador de diodo de túnel (TDO) - complementaram esses resultados. As medições de TDO foram realizadas - também sob altas pressões e em fortes campos magnéticos - na Florida State University em Tallahassee.

Além disso, Zvyagin e seus colegas encontraram evidências de que o CCC sob alta pressão exibe uma cascata de novas fases com o aumento do campo magnético, ausente na pressão zero. "Graças a essas medidas, agora estamos um passo adiante para entender melhor a variedade dessas fases, "diz o professor Joachim Wosnitza, chefe do Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden.

“A identificação exata dessas fases é um dos nossos próximos alvos, "diz Zvyagin. No futuro, ele pretende determinar as estruturas exatas de seus cristais CCC por meio de espalhamento de nêutrons. Para esses planos, ele aprecia as excelentes condições de pesquisa oferecidas pelo HZDR com sua estreita rede internacional. "Para mim, é um lugar ideal para o meu interesse em pesquisa fundamental, "diz o físico." E se entendermos os processos quânticos nesses cristais com geometria frustrada, aplicativos também podem surgir. "

Joachim Wosnitza também vê um grande potencial nas propriedades magnéticas exóticas desses cristais. "Pode-se imaginar sistemas quânticos de vida longa em que os spins magnéticos podem ser usados ​​de maneira controlada, "diz Wosnitza." Ainda não se pode prever se isso levará a um computador quântico ou a um sensor especial, no entanto. "O caminho para essas aplicações ainda pode ser muito longo. Mas com suas medições bem-sucedidas, os pesquisadores do HZDR não têm motivos para ficar frustrados - ao contrário de suas amostras de cristal.