Em 1966, O físico japonês Yosuke Nagaoka previu a existência de um fenômeno bastante surpreendente:o ferromagnetismo de Nagaoka. Sua teoria rigorosa explica como os materiais podem se tornar magnéticos, com uma ressalva:as condições específicas que ele descreveu não surgem naturalmente em nenhum material. Pesquisadores da QuTech, uma colaboração entre a TU Delft e a TNO, agora observaram assinaturas experimentais do ferromagnetismo Nagaoka usando um sistema quântico projetado. Os resultados foram publicados hoje em Natureza .

Ímãs conhecidos, como os da sua geladeira, são um exemplo cotidiano de um fenômeno chamado ferromagnetismo. Cada elétron tem uma propriedade chamada 'spin', o que faz com que ele se comporte como um ímã minúsculo. Em um ferromagneto, os spins de muitos elétrons se alinham, combinando em um grande campo magnético. Este parece ser um conceito simples, mas Nagaoka previu um mecanismo novo e surpreendente pelo qual o ferromagnetismo poderia ocorrer - um mecanismo que não havia sido observado em nenhum sistema antes.

Quebra-cabeça infantil

"Para entender a previsão de Nagaoka, imagine o jogo infantil mecânico simples chamado quebra-cabeça deslizante, "disse JP Dehollain, que realizou os experimentos junto com Uditendu Mukhopadhyay. "Este quebra-cabeça consiste em uma grade de quatro por quatro peças, com um único slot vazio para permitir que as peças deslizem para resolver o quebra-cabeça. Próximo, pense no ímã de Nagaoka como uma estrutura quadrada bidimensional semelhante, onde cada bloco é um elétron. Os elétrons então se comportam como as peças no jogo infantil, mexendo na estrutura. "

Se os spins do elétron não estiverem alinhados (ou seja, cada bloco tem uma seta apontando em uma direção diferente em nossa analogia), os elétrons formarão um arranjo diferente após cada embaralhamento. Em contraste, se todos os elétrons estiverem alinhados (todas as peças têm setas apontando na mesma direção), o quebra-cabeça sempre permanece o mesmo, não importa como os elétrons são embaralhados. "Nagaoka descobriu que o alinhamento dos spins do elétron resulta em uma energia mais baixa do sistema, "Dehollain disse." Como conseqüência, o sistema de uma rede 2-D quadrada que tem um elétron ausente naturalmente preferirá estar em um estado em que todos os spins do elétron estejam alinhados - um estado ferromagnético Nagaoka. "

Imã DIY

Os pesquisadores observaram, pela primeira vez, assinaturas experimentais do ferromagnetismo Nagaoka. Mukhopadhyay:"Conseguimos isso projetando um dispositivo eletrônico com a capacidade de 'capturar' elétrons individuais. Esses dispositivos de pontos quânticos já foram usados ​​em experimentos científicos já há algum tempo, mas nosso desafio era fazer uma rede 2-D de quatro pontos quânticos que fosse altamente controlável. Para fazer esses dispositivos funcionarem, precisamos construir um circuito elétrico em escala nanométrica, resfrie-o até quase zero absoluto (-272,99 ° C), e medir pequenos sinais elétricos. "

"Nosso próximo passo foi capturar três elétrons e permitir que eles se movessem dentro da rede de dois por dois, criando as condições específicas necessárias para o ferromagnetismo Nagaoka, "disse Mukhopadhyay." Nós então tivemos que demonstrar que esta rede realmente se comporta como um ímã. O campo magnético gerado por três elétrons é muito pequeno para ser detectado com métodos convencionais, então, em vez disso, usamos um sensor elétrico muito sensível que poderia 'decifrar' a orientação do spin dos elétrons e convertê-la em um sinal elétrico que poderíamos medir em laboratório. Desta forma, fomos capazes de determinar se os spins do elétron estavam ou não alinhados conforme o esperado. "

O quebra-cabeça resolvido

"Os resultados foram claros:demonstramos o ferromagnetismo Nagaoka, "disse Lieven Vandersypen, investigador principal e codiretor do Instituto de Nanociência Kavli. "Quando começamos a trabalhar neste projeto, Eu não tinha certeza se o experimento seria possível, porque a física é muito diferente de tudo que já estudamos em nosso laboratório. Mas nossa equipe conseguiu criar as condições experimentais certas para o ferromagnetismo Nagaoka, e demonstramos a robustez do sistema de pontos quânticos. "

Embora este sistema de pequena escala esteja longe de ter implicações na vida cotidiana, é um marco importante para a realização de sistemas em larga escala, como computadores quânticos e simuladores quânticos. Vandersypen:"Esses sistemas permitem o estudo de problemas que são muito complexos para resolver com o supercomputador mais avançado de hoje, por exemplo, processos químicos complexos. Experimentos de prova de princípio, como a realização do ferromagnetismo Nagaoka, fornecem orientações importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos e simuladores do futuro. "