Não há maneira conhecida de provar que existe um "líquido quântico de spin" tridimensional, assim, os físicos da Rice University e seus colaboradores fizeram a segunda melhor coisa:eles mostraram que seus cristais únicos de pirocloro de cério e zircônio tinham o material certo para se qualificar como a primeira versão 3-D possível do estado da matéria há muito procurado.

Apesar do nome, um líquido de spin quântico é um material sólido no qual a estranha propriedade da mecânica quântica - emaranhamento - garante um estado magnético líquido.

Em um jornal esta semana em Física da Natureza , pesquisadores ofereceram uma série de evidências experimentais - incluindo experimentos cruciais de espalhamento de nêutrons no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) e experimentos de relaxamento de spin de múon no Instituto Paul Scherrer (PSI) da Suíça - para apoiar seu caso de que o pirocloro de cério zircônio, em sua forma de cristal único, é o primeiro material que se qualifica como um líquido de spin quântico 3-D.

"Um líquido quântico de spin é algo que os cientistas definem com base no que você não vê, "disse o Pengcheng Dai do arroz, autor correspondente do estudo e membro do Centro de Materiais Quânticos de Rice (RCQM). "Você não vê ordem de longo alcance no arranjo de giros. Você não vê desordem. E várias outras coisas. Não é isso. Não é aquilo. Não há uma identificação positiva conclusiva."

As amostras da equipe de pesquisa são consideradas as primeiras de seu tipo:Pirocloro por causa de sua proporção de cério de 2 para 2 para 7, zircônio e oxigênio, e cristais únicos, porque os átomos dentro deles estão dispostos de forma contínua, estrutura ininterrupta.

"Fizemos todos os experimentos que poderíamos pensar neste composto, "Dai disse." (Co-autor do estudo) O grupo de Emilia Morosan em Rice fez um trabalho de capacidade de calor para mostrar que o material não sofre transição de fase até 50 milikelvin. Fizemos cristalografia muito cuidadosa para mostrar que não há desordem no cristal. Fizemos experimentos de relaxamento de spin de múon que demonstraram uma ausência de ordem magnética de longo alcance até 20 milikelvin, e fizemos experimentos de difração que mostraram que a amostra não tinha vacância de oxigênio ou outros defeitos conhecidos. Finalmente, fizemos o espalhamento inelástico de nêutrons que mostrou a presença de um continuum de excitação de spin - que pode ser uma marca registrada de líquido de spin quântico - até 35 milikelvin. "

Dai, um professor de física e astronomia, creditou o sucesso do estudo a seus colegas, notavelmente os co-autores principais Bin Gao e Tong Chen e o co-autor David Tam. Gao, um associado de pesquisa de pós-doutorado da Rice, criou as amostras de cristal único em um forno de zona flutuante a laser no laboratório da co-autora Sang-Wook Cheong da Rutgers University. Língua, um Rice Ph.D. aluna, ajudou Bin a realizar experimentos no ORNL que produziram um continuum de excitação de spin indicativo da presença de emaranhamento de spin que produz ordem de curto alcance, e Tam, também um Rice Ph.D. aluna, conduziu experimentos de rotação de spin de múon no PSI.

Apesar do esforço da equipe, Dai disse que é impossível dizer definitivamente cério-zircônio 227 é um líquido de spin, em parte porque os físicos ainda não chegaram a um acordo sobre qual prova experimental é necessária para fazer a declaração, e em parte porque a definição de um líquido de spin quântico é um estado que existe na temperatura de zero absoluto, um ideal fora do alcance de qualquer experimento.

Acredita-se que os líquidos de spin quântico ocorram em materiais sólidos que são compostos de átomos magnéticos em arranjos cristalinos particulares. A propriedade inerente dos elétrons que leva ao magnetismo é o spin, e os spins do elétron só podem apontar para cima ou para baixo. Na maioria dos materiais, os giros são embaralhados aleatoriamente como um baralho de cartas, mas os materiais magnéticos são diferentes. Nos ímãs nas geladeiras e dentro das máquinas de ressonância magnética, os spins percebem seus vizinhos e se organizam coletivamente em uma direção. Os físicos chamam isso de "ordem ferromagnética de longo alcance, "e outro exemplo importante de ordem magnética de longo alcance é o antiferromagnetismo, onde as rotações organizam coletivamente em uma repetição, cima baixo, padrão de cima para baixo.

"Em um sólido com um arranjo periódico de giros, se você sabe o que um giro está fazendo aqui, você pode saber o que um giro está fazendo, muitas repetições por causa da ordem de longo alcance, "disse o físico teórico de Rice e co-autor do estudo Andriy Nevidomskyy, professor associado de física e astronomia e membro do RCQM. "Em um líquido, por outro lado, não há ordem de longo prazo. Se você olhar para duas moléculas de água separadas por um milímetro, por exemplo, não há correlação alguma. No entanto, devido às suas ligações de hidrogênio-hidrogênio, eles ainda podem ter um arranjo ordenado em distâncias muito curtas com moléculas próximas, que seria um exemplo de pedido de curto prazo. "

Em 1973, O físico ganhador do Nobel Philip Anderson propôs a ideia de líquidos de spin quânticos com base na compreensão de que aquele arranjo geométrico de átomos em alguns cristais poderia tornar impossível para spins emaranhados se orientarem coletivamente em arranjos estáveis.

Conforme o famoso escritor de ciências Philip Ball adequadamente descrito em 2017, "Imagine um antiferroímã - em que spins adjacentes preferem ser orientados de forma oposta - em uma rede triangular. Cada spin tem dois vizinhos mais próximos em um triângulo, mas o alinhamento antiparalelo não pode ser satisfeito para todo o trio. Uma possibilidade é que a rede de spin congele em um estado "vítreo" desordenado, mas Anderson mostrou que a mecânica quântica permite a possibilidade de spins flutuantes mesmo em zero absoluto (temperatura). Este estado é chamado de líquido de spin quântico, e Anderson mais tarde sugeriu que ele poderia estar conectado à supercondutividade de alta temperatura. "

A possibilidade de que os líquidos quânticos de spin possam explicar a supercondutividade de alta temperatura estimulou um amplo interesse entre os físicos da matéria condensada desde os anos 1980, e Nevidomskyy disse que o interesse aumentou ainda mais quando foi "sugerido que alguns exemplos dos chamados líquidos de spin quântico topológico podem ser passíveis de construção de qubits" para computação quântica.

"Mas acredito que parte da curiosidade sobre os líquidos quânticos de spin é que eles ressurgiram em muitas encarnações e propostas teóricas, "disse ele." E embora tenhamos modelos teóricos onde sabemos, para um fato, que o resultado será um líquido giratório, encontrar um material físico real que cumprisse essas propriedades tem, até aqui, provou ser muito difícil. Não há consenso na área, até agora, que qualquer material - 2-D ou 3-D - é um líquido quântico de spin. "