Parece um enigma:O que você ganha se pegar dois pequenos diamantes, colocar um pequeno cristal magnético entre eles e comprimi-los bem lentamente?

A resposta é um líquido magnético, o que parece contra-intuitivo. Os líquidos se tornam sólidos sob pressão, mas geralmente não o contrário. Mas esta descoberta fundamental incomum, revelado por uma equipe de pesquisadores que trabalham na Advanced Photon Source (APS), um Departamento de Energia (DOE) dos Estados Unidos para usuários do Office of Science no Laboratório Nacional de Argonne do DOE, pode fornecer aos cientistas novos insights sobre supercondutividade de alta temperatura e computação quântica.

Embora cientistas e engenheiros tenham feito uso de materiais supercondutores por décadas, o processo exato pelo qual os supercondutores de alta temperatura conduzem eletricidade sem resistência permanece um mistério da mecânica quântica. Os sinais indicadores de um supercondutor são uma perda de resistência e uma perda de magnetismo. Supercondutores de alta temperatura podem operar em temperaturas acima das do nitrogênio líquido (-320 graus Fahrenheit), tornando-os atraentes para linhas de transmissão sem perdas em redes de energia e outras aplicações no setor de energia.

Mas ninguém sabe realmente como os supercondutores de alta temperatura atingem esse estado. Esse conhecimento é necessário para aumentar a temperatura operacional desses materiais em direção à temperatura ambiente, algo que seria necessário para a implementação em escala real de supercondutores em redes de energia que conservam energia.

Uma ideia apresentada em 1987 pelo falecido teórico Phil Anderson da Universidade de Princeton envolve colocar materiais em um estado líquido de spin quântico, que Anderson propôs poderia levar a supercondutividade de alta temperatura. A chave são os spins dos elétrons em cada um dos átomos do material, que, sob certas condições, podem ser levados a um estado em que se tornam "frustrados" e incapazes de se organizar em um padrão ordenado.

Para aliviar essa frustração, direções de spin do elétron flutuam no tempo, alinhando apenas com spins vizinhos por curtos períodos de tempo, como um líquido. São essas flutuações que podem ajudar na formação do par de elétrons necessário para a supercondutividade em alta temperatura.

A pressão fornece uma maneira de "sintonizar" a separação entre os spins do elétron e levar um ímã a um estado de frustração em que o magnetismo vai embora a uma certa pressão e um líquido de spin emerge, de acordo com Daniel Haskel, o físico e líder de grupo na Divisão de Ciência de Raios-X (XSD) de Argonne que liderou uma equipe de pesquisa por meio de uma série de experimentos na APS para fazer exatamente isso. A equipe incluiu o físico assistente de Argonne Gilberto Fabbris e os físicos Jong-Woo Kim e Jung Ho Kim, tudo de XSD.

Haskel tem o cuidado de dizer que os resultados de sua equipe, publicado recentemente em Cartas de revisão física , não demonstram conclusivamente a natureza quântica do estado líquido de spin, em que os spins atômicos continuariam a se mover mesmo em temperaturas de zero absoluto - mais experimentos seriam necessários para confirmar isso.

Mas eles mostram isso, aplicando pressão lenta e constante, alguns materiais magnéticos podem ser empurrados para um estado semelhante a um líquido, em que os spins do elétron se tornam desordenados e o magnetismo desaparece, enquanto preserva o arranjo cristalino dos átomos que hospedam os spins do elétron. Os pesquisadores estão confiantes de que criaram um líquido de spin, em que os spins do elétron são desordenados, mas não tenho certeza se esses spins estão emaranhados, o que seria um sinal de um líquido de spin quântico.

Se este é um líquido de spin quântico, Haskel disse, a capacidade de criar um por este método teria amplas implicações.

"Alguns tipos de líquidos de spin quântico podem permitir a computação quântica sem erros, "Haskel disse." Um líquido quântico de spin é uma superposição de estados de spin, flutuante, mas emaranhado. É justo dizer que este processo, deve criar um líquido de spin quântico com superposição quântica, terá feito um qubit, o bloco de construção básico de um computador quântico. "

Então, o que a equipe fez, e como eles fizeram isso? Isso nos traz de volta aos diamantes, parte de uma configuração experimental única no APS. Os pesquisadores usaram duas bigornas de diamante, corte de forma semelhante ao que você veria em joalherias, com uma base larga e uma mais estreita, borda plana. Eles posicionaram as arestas planas menores juntas, inseriu uma amostra de material magnético (neste caso, uma liga de estrôncio-irídio) entre eles, e empurrou.

"A ideia é que, à medida que você o pressiona, aproxima os átomos, "disse Fabbris." E já que podemos fazer isso lentamente, podemos fazer isso continuamente, e podemos medir as propriedades da amostra à medida que aumentamos a pressão. "

Quando Fabbris diz que a pressão foi aplicada lentamente, ele não está brincando - cada um desses experimentos levou cerca de uma semana, ele disse, usando uma amostra de cerca de 100 mícrons de diâmetro, ou aproximadamente a largura de uma folha fina de papel. Uma vez que os pesquisadores não sabiam em que pressão o magnetismo desapareceria, eles tiveram que medir cuidadosamente com cada aumento muito leve.

E eles desapareceram, em cerca de 20 gigapascals - equivalente a 200, 000 atmosferas, ou cerca de 200 vezes mais pressão do que pode ser encontrada no fundo da Fossa das Marianas, no Oceano Pacífico, a trincheira mais profunda da Terra. Os spins dos elétrons permaneceram correlacionados em distâncias curtas, como um líquido, mas permaneceu desordenado mesmo em temperaturas tão baixas quanto 1,5 Kelvin (-457 graus Fahrenheit).

O truque, Haskel disse - e a chave para criar um estado líquido de spin - era preservar a ordem cristalina e a simetria do arranjo atômico, uma vez que o efeito indesejado de desordem aleatória em posições atômicas teria levado a um estado magnético diferente, um sem as propriedades únicas do estado líquido de spin. Haskel compara os spins do elétron aos vizinhos em um quarteirão - conforme eles se aproximam, todos querem fazer-se felizes, mudando sua direção de rotação para coincidir com a de seus vizinhos. O objetivo é torná-los tão próximos que não possam deixar todos os seus vizinhos felizes, assim, "frustrando" suas interações de spin, mantendo a estrutura do quarteirão.

A equipe de pesquisa usou os intensos recursos de imagem de raios-X do APS para medir o magnetismo da amostra, e de acordo com Haskel e Fabbris, o APS é a única instalação nos Estados Unidos onde tal experimento poderia ser feito. Em particular, Fabbris disse, a capacidade de se concentrar em um tipo de átomo, ignorando todos os outros, foi crucial.

"As amostras são muito pequenas, e se você tentar medir o magnetismo com outras técnicas em um laboratório universitário, você vai captar o sinal magnético dos componentes da célula da bigorna de diamante, "Fabbris disse." As medições que fizemos são impossíveis sem uma fonte de luz como o APS. É o único capaz disso. "

Agora que a equipe atingiu um estado líquido de spin, Qual é o próximo? Mais experimentação é necessária para ver se um líquido de spin quântico foi criado. Experimentos futuros envolverão sondar a natureza da dinâmica de spin e correlações mais diretamente no estado líquido de spin. Mas os resultados recentes, Haskel disse, fornecem um caminho para a realização desses estados quânticos indescritíveis, um que poderia levar a novos insights sobre supercondutividade e ciências da informação quântica.

Haskel também apontou para a atualização APS, um projeto enorme que verá o brilho do instrumento aumentado para 1, 000 vezes. Esse, ele disse, permitirá investigações muito mais profundas sobre esses estados fascinantes da matéria.

"Depende da imaginação de que efeitos da mecânica quântica surpreendentes estão esperando para serem descobertos, " ele disse.