Além da compreensão profunda do mundo natural que a teoria da física quântica oferece, cientistas em todo o mundo estão se esforçando para trazer uma revolução tecnológica, alavancando esse novo conhecimento em aplicações de engenharia. Spintrônica é um campo emergente que visa superar os limites da eletrônica tradicional usando o spin dos elétrons, que pode ser visto aproximadamente como sua rotação angular, como meio de transmissão de informações.

Mas o projeto de dispositivos que podem operar usando o spin é extremamente desafiador e requer o uso de novos materiais em estados exóticos - mesmo alguns que os cientistas não entendem totalmente e ainda não observaram experimentalmente. Em um estudo recente publicado em Nature Communications , cientistas do Departamento de Física Aplicada da Universidade de Ciência de Tóquio, Japão, descrevem um composto recentemente sintetizado com a fórmula KCu ₆ AlBiO ₄ (TÃO ₄ ) ₅ Cl que pode ser a chave para a compreensão do estado indescritível do "líquido de spin quântico (QSL)". O cientista principal, Dr. Masayoshi Fujihala, explica sua motivação:"A observação de um estado QSL é um dos objetivos mais importantes na física da matéria condensada, bem como no desenvolvimento de novos dispositivos spintrônicos. No entanto, o estado de QSL em sistemas bidimensionais (2-D) não foi claramente observado em materiais reais devido à presença de desordem ou desvios dos modelos ideais. "

Qual é o estado líquido do spin quântico? Em materiais antiferromagnéticos abaixo de temperaturas específicas, os spins dos elétrons se alinham naturalmente em padrões de grande escala. Em materiais em um estado QSL, Contudo, os giros são desordenados de maneira semelhante à forma como as moléculas da água líquida são desordenadas em comparação com o gelo cristalino. Este distúrbio surge de um fenômeno estrutural denominado frustração, em que não há configuração possível de spins simétricos e energeticamente favoráveis ​​para todos os elétrons. KCu ₆ AlBiO ₄ (TÃO ₄ ) ₅ Cl é um composto recém-sintetizado cujos átomos de cobre são arranjados em um padrão 2-D particular conhecido como "rede kagome quadrada (SKL), "um arranjo que deve produzir um estado de QSL por meio da frustração. Professor Setsuo Mitsuda, co-autor do estudo, afirma:"A falta de um composto modelo para o sistema SKL obstruiu uma compreensão mais profunda de seu estado de spin. Motivado por isso, nós sintetizamos KCu ₆ AlBiO ₄ (TÃO ₄ ) ₅ Cl, o primeiro antiferroímã SKL, e demonstrou a ausência de ordenação magnética em temperaturas extremamente baixas - um estado QSL. "

Contudo, os resultados experimentais obtidos não puderam ser replicados por meio de cálculos teóricos usando um padrão "J ₁ -J ₂ -J ₃ SKL Heisenberg "modelo. Esta abordagem considera as interações entre cada íon de cobre na rede de cristal e seus vizinhos mais próximos. O co-autor, Dr. Katsuhiro Morita, explica:" Para tentar eliminar a discrepância, calculamos um modelo SKL considerando as interações do próximo vizinho mais próximo usando vários conjuntos de parâmetros. Ainda, não conseguimos reproduzir os resultados experimentais. Portanto, para entender o experimento corretamente, precisamos calcular o modelo com outras interações. "

Esta discordância entre experimento e cálculos destaca a necessidade de refinar as abordagens teóricas existentes, como o co-autor Prof Takami Tohyama conclui:"Embora o antiferroímã SKL que sintetizamos seja o primeiro candidato a investigar o magnetismo SKL, podemos ter que considerar interações de longo alcance para obter um líquido de spin quântico em nossos modelos. Isso representa um desafio teórico para desvendar a natureza do estado QSL. “Esperemos que os físicos consigam enfrentar esse desafio para nos trazer mais um passo mais perto da maravilhosa promessa da spintrônica.