Crédito:grupo SQM, Laboratoire de physique des solides, Orsay, Univ. Paris-Saclay.
Em temperaturas baixas o suficiente, os sistemas magnéticos normalmente se tornam cristais sólidos. Um fenômeno conhecido pelo qual isso acontece é o ferromagnetismo, que ocorre quando todos os momentos ou giros elementares interagem na escala atômica (ou seja, a chamada interação de Heisenberg) e alinhar em uma direção. Ferromagnetismo sustenta o funcionamento de vários objetos do cotidiano, incluindo bússolas, ímãs de geladeira e discos rígidos.
Em alguns casos, momentos e spins vizinhos podem anti-alinhamento para minimizar a energia de interação do par. Quando uma rede tem uma geometria triangular, Contudo, esta minimização de pares torna-se impossível, dando origem a um fenômeno conhecido como 'frustração'. A frustração parece ser uma ferramenta única para derrotar os paradigmas do magnetismo clássico e permitir o surgimento de estados quânticos mais exóticos.
Os físicos têm conduzido estudos com o objetivo de determinar o estado fundamental de ímãs quânticos frustrados há várias décadas, pois isso poderia ter implicações importantes para a física da matéria condensada. Com base nesses estudos anteriores, pesquisadores da Universidade Paris-Saclay e de outras instituições na França conduziram recentemente um experimento com o objetivo de desvendar o estado fundamental do arquétipo do kagome quântico ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .
"Em uma rede triangular, os giros seriam classicamente ordenados em um ângulo de 120 graus, o melhor compromisso nesse contexto frustrante, "Philippe Mendels, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Na década de 1970, Phil Anderson propôs uma alternativa para este melhor compromisso quando os efeitos quânticos se tornam importantes, como com meio giros, o chamado estado de ligação de valência ressonante. Os spins vizinhos ainda se juntam (casam) em pares e se desmontam (divorciam) para criar pares entre novos parceiros, levando a uma montagem de par tipicamente flutuante. "
O estado fundamental de flutuação persistente teorizado por Anderson é conhecido como estado 'líquido de spin', uma vez que se assemelha ao estado observado em líquidos. Este é um estado altamente emaranhado com bilhões de spins, onde os spins individuais perdem sua identidade e se fundem em um estado coletivo macroscópico.
"A ideia do estado líquido de rotação foi revivida pelo próprio Anderson como uma semente para a supercondutividade de alta temperatura descoberta na década de 1980, "Mendels explicou." Nos anos 90, as pessoas começaram a questionar em que condições este estado RVB pode ser estabilizado em antiferromagnetos. Os pesquisadores logo descobriram que o kagome, uma treliça em forma de estrela de David composta de triângulos de canto compartilhado, pode ser a estrutura ideal para procurar líquidos de spin, particularmente usando spins quânticos 1/2, que são mais propensas a flutuações. "
Nas ultimas decadas, muitos estudos se concentraram em duas questões de pesquisa simples:se a estabilização de um estado líquido de spin em uma rede kagome é realmente possível, e se, qual é o estado fundamental mais estável que pode ser alcançado. As evidências agora sugerem que é possível atingir um estado líquido de spin em redes kagome, no entanto, qual é o estado mais estável alcançável permanece obscuro.
Estrutura herbertsmithita. Crédito:Khuntia et al.
"Enquanto no lado experimental, os materiais da kagome são escassos, um deles, e ainda provavelmente o melhor exemplo até agora, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 , foi sintetizado pela primeira vez em meados de 2000 e produzido em uma forma cristalina apenas na década de 2010, "Mendels disse." Este material fantástico permite que a comunidade do magnetismo quântico desafie as previsões teóricas, e agora aumenta nossa compreensão atual do problema. "
Em seu estudo, que foi apresentado em Física da Natureza , Mendels e seus colegas investigaram as propriedades magnéticas do kagome ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 Estado Fundamental. Seu objetivo final era descobrir a que classe de líquidos de spin esse material pertence.
"A natureza não é perfeita, e embora provavelmente o melhor protótipo para o antiferroímã kagome, ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 ainda sofre de defeitos, "Mendels disse." Zn e Cu são muito semelhantes para ficar onde deveriam idealmente para produzir um antiferroímã spin-½ kagome perfeito. Algum Cu 2+ os spins realmente se localizam fora da rede kagome e obscurecem as investigações, solicitando experimentos padrão, como calor específico de magnetização. "
Em seus experimentos, Mendels e seus colegas usaram ressonância magnética nuclear (NMR), uma técnica que permite a coleta de observações locais e que é a base da ressonância magnética (MRI), um dos métodos mais amplamente usados para detectar condições médicas. Por meio de NMR de baixa temperatura, eles foram capazes de distinguir entre áreas defeituosas e não defeituosas no material, a fim de isolar as assinaturas exclusivas dos spins de kagome. Em última análise, este procedimento permitiu que os pesquisadores identificassem características e dinâmicas específicas em ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 .
Ao tentar discriminar entre diferentes classes de líquidos de spin, os cientistas devem primeiro tentar entender como os pares de spins se quebram de uma forma que se encaixe na imagem delineada por Anderson em suas teorias. Isso significa determinar se há uma lacuna entre os estados fundamental e excitado, o que pode ser mais desafiador ao lidar com uma superposição de estados quânticos. O estudo realizado por Mendels e seus colegas pode ser um dos primeiros passos nessa direção.
“Ao estudar a suscetibilidade local, a resposta a um campo magnético, e a forma como as excitações ocorrem quando aquecemos a amostra a partir de temperaturas próximas ao zero absoluto, mostramos claramente que não há lacuna no espectro de energia das excitações e discutimos alguma consistência com teorias preditivas recentes sobre as excitações, "Disse Mendels." Qualquer que seja a conclusão final, fornecemos fortes restrições às teorias e restringimos a gama de modelos possíveis. "
Em seu trabalho recente, Mendels e seus colegas reuniram novos e valiosos insights sobre os estados e características dos materiais kagome. Geral, suas descobertas sugerem que kagome quântica arquetípica ZnCu 3 (OH) 6 Cl 2 não abriga nenhuma lacuna de rotação, que está alinhado com cálculos numéricos conduzidos por outras equipes de pesquisa. No futuro, esta importante observação pode servir de base para outros estudos de física da matéria condensada, em última análise, ampliando a compreensão atual de ímãs quânticos frustrados.
"Um dos nossos sonhos de longo prazo é produzir um altamente frustrado, se não for kagome, material quântico que poderia ser dopado para se tornar um metal, encontrando as visões de Anderson de um novo tipo de supercondutor, "Disse Mendels." O escopo deste trabalho é ainda mais amplo, como a topologia em matéria condensada se tornou muito popular após o prêmio Nobel de 2016. Os metais à base de Kagome são muito procurados por suas propriedades topológicas. Nosso trabalho pode abrir novos caminhos de pesquisa em novos conceitos, mas também pode ajudar a enfrentar novos desafios em física fundamental e ciência dos materiais. "
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