Os condensados ​​de Bose-Einstein são fases quânticas macroscópicas da matéria que aparecem apenas em condições muito particulares. Aprender mais sobre essas fases da matéria pode ajudar os pesquisadores a desenvolver uma melhor compreensão dos comportamentos quânticos fundamentais e possivelmente contribuir para a tecnologia quântica futura.

É por isso que Kate Ross e Ph.D. candidato Gavin Hester, pesquisadores da Colorado State University, estão no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) para sondar um material chamado silicato de itérbio. Ross acredita que o silicato de itérbio, o único material magnético baseado em um elemento de terra rara que mostra evidências de um condensado de Bose-Einstein, pode ser a chave para a compreensão dos fenômenos quânticos em outros ímãs com base em elementos de terras raras. Sondando amostras de silicato de itérbio com nêutrons, Ross espera gerar um mapa detalhado desse condensado de Bose-Einstein único e, em seguida, usar esse mapa para validar sua hipótese, identificando estados quânticos exóticos em outros materiais magnéticos. Ross e seus colaboradores discutem suas descobertas em seu artigo publicado na revista Cartas de revisão física .

"Se pudermos obter uma melhor compreensão do condensado de Bose-Einstein que vemos neste material, então, poderíamos potencialmente usar esse conhecimento para descobrir estados quânticos de muitos corpos semelhantes em outros materiais magnéticos baseados em elementos de terras raras, "disse Ross.

Ross explica que o condensado de Bose-Einstein, também conhecida como fase BEC, é um fluido quântico no qual as partículas param de se comportar como entidades individuais e, em vez disso, se comportam como ondas que se movem em sincronia umas com as outras através do tecido de um único, sistema unificado. É diferente de qualquer sólido, líquido, gás, ou plasma e aparece apenas em temperaturas próximas do zero absoluto, ou 0 K (cerca de -460 ° F). Os cientistas ainda têm muito que aprender sobre este estado único da matéria, mas há esperança de que suas propriedades únicas possam um dia contribuir para materiais avançados.

"Não há uma ligação direta entre os condensados ​​de Bose-Einstein e as propostas atuais de tecnologia quântica. Mas também temos muito que aprender sobre como esse material se comporta, e responder a algumas dessas questões fundamentais sobre os fenômenos quânticos será a base para futuras realizações científicas, "disse Hester.

Para iniciantes, há muito se supõe que os condensados ​​de Bose-Einstein não podem aparecer em materiais magnéticos baseados em elementos de terras raras porque essas interações magnéticas particulares não parecem ser isotrópicas o suficiente para que uma fase BEC apareça. Mas, tendo observado evidências de uma fase BEC em silicato de itérbio durante experimentos anteriores, Ross e sua equipe suspeitam que essa suposição pode ser falsa.

"Ficamos realmente surpresos quando vimos a evidência de uma fase BEC. Isso sugere que o itérbio é um ingrediente muito mais versátil para formar estados quânticos de muitos corpos do que pensávamos anteriormente, "disse Ross.

Para entender melhor a capacidade do silicato de itérbio de hospedar uma fase BEC, Ross usou o instrumento Cold Neutron Chopper Spectrometer, ou CNCS, na Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) e no Espectrômetro de Eixo Triplo de Energia de Incidente Fixo, ou FIE-TAX, no reator isotópico de alto fluxo (HFIR) para sondar amostras cristalizadas de silicato de itérbio. Medições complementares de raios-X e de espalhamento de nêutrons foram realizadas no Argonne National Laboratory e no National Institute of Standards and Technology.

Esses experimentos estão em andamento há quase 4 anos. O grupo de pesquisa de Ross começou a cultivar amostras de silicato de itérbio e mapear o comportamento desse material em 2015. Com seus colaboradores, eles usaram várias sondas na Colorado State University e na Sherbrooke University, no Canadá, para dar uma primeira olhada no comportamento do material, mas eles estavam ansiosos para usar o espalhamento de nêutrons para sondar suas amostras.

"Os nêutrons são profundamente penetrantes, e à medida que passam por nossas amostras, eles agitam essas partículas quânticas emergentes de tal forma que podemos medir com precisão como essas partículas se comportam dentro da microestrutura do silicato de itérbio, "disse Hester.

Para preparar suas amostras para espalhamento de nêutrons, Ross e seus colaboradores tiveram que cortar e alinhar cada cristal individual para que cada um fosse orientado na mesma direção. Além disso, Ross teve que expor suas amostras de silicato de itérbio a um campo magnético e usar uma câmara de resfriamento especial para baixá-las a um frio de -459,28 ° F, que é mais frio do que o espaço interestelar e muito próximo do zero absoluto.

"Colocar esse experimento em conjunto deu muito trabalho, mas os dados que obtivemos definitivamente valeram o esforço, "disse Ross.

Ross e Hester esperam que seu trabalho não apenas esclareça como a fase BEC do silicato de itérbio é única, mas também dá aos pesquisadores uma melhor compreensão dos fenômenos quânticos em geral, conforme aparecem em outros materiais magnéticos baseados em elementos de terras raras.

"Estamos definitivamente interessados ​​em aprender mais sobre esta fase BEC em silicato de itérbio especificamente, mas esperamos que o que aprendemos aqui também ajude nossos colegas a descobrir mais estados quânticos em materiais baseados em terras raras. Este entendimento fundamental é essencial para formar as plataformas materiais das futuras tecnologias quânticas, "disse Ross.