O futuro da tecnologia depende, em grande medida, em novos materiais, mas o trabalho de desenvolver esses materiais começa anos antes que qualquer aplicação específica para eles seja conhecida. Stephen Wilson, professor de materiais na Faculdade de Engenharia da UC Santa Bárbara, trabalha naquele reino "muito antes de", buscando criar novos materiais que exibam novos estados desejáveis.

No artigo "Estado fundamental desordenado quântico ajustável em campo no antiferromagneto de rede triangular NaYbO ₂ , "publicado no jornal Física da Natureza , Wilson e seus colegas Leon Balents, do Instituto Kavli de Física Teórica do campus, e Mark Sherwin, um professor do Departamento de Física, descrevem a descoberta de um "estado líquido de spin quântico" há muito procurado no material NaYbO ₂ (óxido de itérbio de sódio). O estudo foi conduzido pelo estudante de materiais Mitchell Bordelon e também envolveu estudantes de física Chunxiao Liu, Marzieh Kavand e Yuanqi Lyu, e o estudante de graduação em química Lorenzo Posthuma, bem como colaboradores do Boston College e do U.S. National Institute of Standards and Technology.

No nível atômico, elétrons na estrutura de rede de um material se comportam de maneira diferente, tanto individual quanto coletivamente, daqueles em outro material. Especificamente, o "giro, "ou o momento magnético intrínseco do elétron (semelhante a uma barra magnética inata) e sua tendência de se comunicar e coordenar com os momentos magnéticos dos elétrons próximos difere por material. Vários tipos de sistemas de spin e padrões coletivos de ordenação desses momentos são conhecidos por ocorrerem , e os cientistas de materiais estão sempre buscando novos, incluindo aqueles que foram hipotetizados, mas ainda não demonstraram existir.

"Existem certas, momentos mais clássicos que permitem que você saiba com um alto grau de certeza que o giro está apontando para uma direção particular, "Wilson explicou." Nesses, os efeitos quânticos são pequenos. Mas há certos momentos em que os efeitos quânticos são grandes, e você não pode orientar precisamente o giro, então há incerteza, que chamamos de 'flutuação quântica'. "

Estados magnéticos quânticos são aqueles em que o magnetismo de um material é impulsionado principalmente por tais flutuações quânticas, geralmente derivado do princípio da incerteza, momentos intrínsecos aos magnéticos. "Então, você imagina um momento magnético, mas o princípio da incerteza diz que não posso orientar isso perfeitamente em qualquer direção, "Wilson observou.

Explicando o estado líquido do spin quântico, que foi proposto há muito tempo e é o assunto deste artigo, Wilson disse, “Em materiais convencionais, os momentos magnéticos falam um com o outro e querem se orientar em relação um ao outro para formar algum padrão de ordem. "Em materiais clássicos, esta ordem é interrompida por flutuações térmicas, o que Wilson descreve como "apenas calor do meio ambiente".

"Se o material estiver quente o suficiente, é não magnético, o que significa que os momentos estão todos meio confusos em relação uns aos outros, "ele explicou." Uma vez que o material é resfriado, os momentos começam a se comunicar, de modo que a conexão entre eles supera as flutuações térmicas e eles formam um estado ordenado. Isso é magnetismo clássico. "

Mas as coisas são diferentes no mundo quântico, e os momentos magnéticos que flutuam podem na verdade ser o "estado fundamental" inerente de um material.

"Então, você pode perguntar se existe um estado magnético no qual os momentos são impedidos de congelar ou formar algum padrão de ordem de longo alcance em relação ao outro, não por flutuações térmicas, mas ao invés, por flutuações quânticas, "Disse Wilson." As flutuações quânticas tornam-se mais relevantes à medida que o material esfria, enquanto as flutuações térmicas aumentam à medida que aquece, portanto, você deseja encontrar um ímã que não faça o pedido até que seja resfriado o suficiente para que as flutuações quânticas o impeçam de fazer o pedido. "

Essa desordem quântica é desejável porque está associada ao emaranhamento, a qualidade da mecânica quântica que torna possível codificar informações quânticas. Para determinar se NaYbO2 pode exibir essa característica, os pesquisadores tiveram que determinar o intrínseco, ou estado fundamental dos momentos magnéticos do material quando todas as flutuações térmicas são removidas. Neste sistema particular, Wilson foi capaz de determinar experimentalmente que os momentos magnéticos estão intrinsecamente em uma flutuação, estado desordenado, confirmando assim que existe um estado de desordem quântica.

Para encontrar o estado hipotético, disse Wilson, "Primeiro você tem que colocar momentos magnéticos quânticos em um material, mas seu material precisa ser construído de forma que os momentos não queiram ordem. Você faz isso usando o princípio da 'frustração magnética'. "

Uma maneira simples de pensar nisso, de acordo com Wilson, é imaginar um único triângulo na estrutura de rede do material. "Digamos que eu construa meu material de modo que os momentos magnéticos estejam todos localizados em uma rede triangular, " ele disse, "e todos eles falam uns com os outros de uma forma que os faz querer se orientar antiferromagneticamente, ou antiparalelo, um para o outro."

Nesse arranjo, qualquer momento adjacente no triângulo deseja orientar antiparalelo para seu vizinho. Mas porque há um número ímpar de pontos, você tem um acima em um ponto e um abaixo (antiparalelo ao primeiro) no segundo ponto, o que significa que o terceiro momento tem um momento orientado de forma diferente em cada lado, então ele não sabe o que fazer. Todos os momentos estão competindo entre si.

"Isso é frustração magnética, e, ao que parece, reduz a temperatura em que os momentos são finalmente capazes de encontrar algum arranjo com o qual todos concordem, "Wilson disse." Então, por exemplo, classicamente, a natureza decide que, em alguma temperatura, os momentos incompatíveis concordam que todos eles apontarão para 120 graus em relação uns aos outros. Portanto, nem todos estão 100 por cento felizes, mas é um acordo que estabelece um estado ordenado. "

De lá, ele adicionou, "A ideia é pegar uma rede frustrada onde você já suprimiu o estado ordenado, e adicionar flutuações quânticas a ele, que assumem o controle conforme você resfria o material. A frustração magnética reduz a temperatura de ordenação o suficiente para que as flutuações quânticas eventualmente assumam o controle e o sistema possa se estabilizar em um estado de spin quântico fundamentalmente desordenado. "

Wilson continuou:"Esse é o paradigma do que as pessoas procuram; no entanto, alguns materiais podem parecer exibir este estado quando, na verdade, eles não. Por exemplo, todos os materiais reais têm desordem, como desordem química ou estrutural, e isso também pode impedir que os momentos magnéticos se comuniquem com eficácia e se tornem ordenados. Nesse caso, Wilson diz, "Eles podem formar um estado desordenado, mas é mais um congelado, ou estático, estado desordenado do que é um estado quântico dinâmico.

"Então, se eu tiver um sistema magnético que não funciona nas temperaturas mais baixas que posso medir, pode ser complicado tentar entender se o que estou medindo é um tipo de estado flutuante de spin líquido quântico intrínseco ou um estado congelado, extrínseco, estado desordenado quimicamente impulsionado. Isso é sempre debatido. "

Entre as descobertas mais interessantes sobre este novo material, Wilson disse, é que mesmo na temperatura mensurável mais baixa - 0,005 grau centígrado acima do zero absoluto - ele ainda não funciona.

"Contudo, neste material também podemos aplicar um campo magnético, que quebra essa competição gerada pela frustração magnética, e então podemos direcioná-lo para o pedido, induzindo um tipo especial de estado antiferromagnético, "ele acrescentou." A razão disso é importante porque este estado especial é muito delicado e uma impressão digital muito boa de quanta desordem química existe no sistema e sua influência no estado magnético fundamental. O fato de podermos conduzir esse estado orientado pelo campo nos diz que o estado desordenado que vemos em baixa temperatura com campo magnético zero é de fato um estado desordenado intrinsecamente quântico, consistente com ser um estado líquido de spin quântico. "