Os pesquisadores vêm expandindo as fronteiras do mundo quântico há mais de um século. E vez após vez, o spin tem sido uma rica fonte de novas físicas.

Rodar, como massa e carga elétrica, é uma propriedade intrínseca das partículas quânticas. É fundamental para entender como os objetos quânticos responderão a um campo magnético, e divide todos os objetos quânticos em dois tipos. Os meio-inteiros, como o elétron de spin 1/2, recusam-se a compartilhar o mesmo estado quântico, enquanto os inteiros, como o fóton spin-1, não tem problema em ficarem juntos. Então, o spin é essencial ao se aprofundar em praticamente qualquer tópico regido pela mecânica quântica, do bóson de Higgs aos supercondutores.

No entanto, depois de quase um século desempenhando um papel central na pesquisa quântica, questões sobre spin permanecem. Por exemplo, por que todas as partículas elementares que conhecemos têm apenas valores de spin 0, 1/2, ou 1? E quais novos comportamentos podem existir para partículas com valores de spin maiores que 1?

A primeira pergunta pode permanecer um mistério cósmico, mas existem oportunidades para explorar o segundo. Dentro de um material, os arredores de uma partícula podem fazer com que ela se comporte como se tivesse um novo valor de spin. Nos últimos dois anos, pesquisadores descobriram materiais nos quais os elétrons se comportam como se seu spin tivesse aumentado, de 1/2 a 3/2. O pesquisador de pós-doutorado da JQI, Igor Boettcher, explorou os novos comportamentos que esses giros podem produzir em um artigo recente apresentado na capa da Physical Review Letters.

Em vez de olhar para um determinado material, Boettcher se concentrou na matemática que descreve as interações entre elétrons de spin 3/2 em baixas temperaturas. Esses elétrons podem interagir de mais maneiras do que suas contrapartes rotineiras de spin-1/2, que desbloqueia novas fases - ou comportamentos coletivos - que os pesquisadores podem procurar em experimentos. Boettcher examinou as possíveis fases, procurando aqueles que provavelmente serão estáveis ​​em baixas temperaturas. Ele observou quais fases prendem menos energia nas interações, uma vez que à medida que a temperatura cai, um material se torna mais estável na forma que contém menos energia (como vapor se condensando em água líquida e eventualmente congelando em gelo).

Ele encontrou três fases promissoras para buscar em experimentos. Qual dessas fases, caso existam, surgir em um determinado material dependerá de suas propriedades exclusivas. Ainda, As previsões de Boettcher fornecem aos pesquisadores sinais para ficar de olho durante os experimentos. Se uma das fases se formar, ele prevê que as técnicas de medição comuns irão revelar uma mudança nas propriedades elétricas.

O trabalho de Boettcher é um passo inicial na exploração de materiais spin-3/2. Ele espera que um dia o campo seja comparável ao do grafeno, com pesquisadores constantemente correndo para explorar novas físicas, produzir materiais de melhor qualidade, e identificar novas propriedades de transporte.

"Eu realmente espero que isso se transforme em um grande campo, que exigirá que tanto experimentalistas quanto teóricos façam sua parte para que possamos realmente aprender algo sobre as partículas de spin 3/2 e como elas interagem. "diz Boettcher." Este é realmente apenas o começo agora, porque esses materiais simplesmente surgiram. "