Os vértices dessa rede honeycomb representam sites com dois possíveis estados de spin. Uma propriedade intrigante desse modelo é que um pulso magnético aplicado na região sombreada à esquerda causa mudanças de spin nas regiões sombreadas à direita, mas não na parte do meio. Até agora, o mecanismo pelo qual a perturbação do spin cruzou a região do meio não estava claro. Crédito:Akihisa Koga
Cientistas do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech) e da Universidade Nacional de Yokohama (YNU) descobriram o mecanismo peculiar pelo qual as perturbações do spin viajam através de uma região aparentemente intransponível de um sistema líquido de spin quântico. Este novo insight pode representar outro bloco de construção na eletrônica de próxima geração e até mesmo em computadores quânticos.
Os dispositivos eletrônicos como os conhecemos estão perto de atingir seus limites teóricos, o que significa que tecnologia radicalmente nova será necessária para obter melhor desempenho ou maior miniaturização. O problema é que a eletrônica moderna está centrada na manipulação de correntes elétricas e, portanto, está principalmente preocupada com a carga coletiva dos elétrons em movimento. Mas e se os sinais e os dados pudessem ser codificados e enviados de maneira mais eficiente?
Entre na spintrônica, um campo tecnológico emergente concebido para revolucionar a eletrônica, e, com sorte, se tornar um ator-chave no desenvolvimento de computadores quânticos. Em dispositivos spintrônicos, a característica mais importante dos elétrons é seu spin, uma propriedade intrínseca que pode ser amplamente vista como seu momento angular e que é a causa subjacente dos fenômenos magnéticos em sólidos. Contudo, físicos em todo o mundo estão lutando para encontrar maneiras práticas de gerar e transportar "pacotes de spin" por meio de materiais. Em um estudo recente, cientistas da Tokyo Tech e YNU, Japão, conduziu uma análise teórica das características peculiares de transporte de spin de um sistema particular denominado modelo de Kitaev.
Este modelo bidimensional compreende uma rede em favo de mel em que cada vértice hospeda um spin. O que é especial sobre o sistema Kitaev é que, devido às interações peculiares entre os spins, ele se comporta como um líquido de spin quântico (QSL). Isso significa amplamente que é impossível neste sistema que os giros sejam organizados de uma maneira única e ideal que "mantenha cada giro feliz". Este fenômeno, chamado de frustração de spin, faz com que os spins se comportem de maneira particularmente desordenada. Professor Akihisa Koga, quem liderou o estudo, diz:"O modelo Kitaev é um playground interessante para estudar QSLs. No entanto, não se sabe muito sobre suas propriedades de transporte de spin intrigantes. "
Um impulso magnético na extremidade esquerda causa excitações de spin devido à variabilidade de tempo de seus spins. Isso se converte no movimento das partículas de Majorana, que são então transmitidos através do material para sua borda oposta. Crédito:Akihisa Koga
Uma característica importante do modelo Kitaev é que ele possui simetrias locais; tais simetrias significam que os spins são correlacionados apenas com seus vizinhos mais próximos e não com spins distantes, implicando assim que deve haver uma barreira para o transporte de spin. Contudo, na realidade, pequenas perturbações magnéticas em uma borda de um sistema Kitaev se manifestam como mudanças nos spins na borda oposta, mesmo que as perturbações não pareçam causar quaisquer mudanças na magnetização da central, região mais simétrica do material. Este mecanismo intrigante é o que a equipe de cientistas esclareceu em seu estudo, que é publicado em Cartas de revisão física .
Eles aplicaram um campo magnético de impulso em uma borda de um Kitaev QSL para acionar o transporte do pacote de spin e simularam numericamente a dinâmica em tempo real que, consequentemente, se desdobrou. Acontece que a perturbação magnética é transportada através da região central do material por férmions de Majorana. Estas são quasipartículas; eles não são partículas reais, mas aproximações precisas do comportamento coletivo do sistema.
Notavelmente, O transporte de spin mediado por Majorana não pode ser explicado pela teoria clássica da onda de spin, e, portanto, justifica mais estudos experimentais. Mas Koga está esperançoso com o potencial de aplicação dos resultados deste estudo. Ele diz, "Nossos resultados teóricos devem ser relevantes em materiais reais, também, e a configuração de nosso estudo poderia ser implementada fisicamente em certos materiais candidatos para sistemas Kitaev. "
Em seu artigo, os cientistas discutem materiais possíveis, maneiras de criar as perturbações de spin, e abordagens experimentais para encontrar evidências de férmions de Majorana viajando através da maior parte do material para alcançar a outra borda. Pode até ser possível controlar o movimento dos férmions de Majorana estáticos (não móveis) no sistema, que poderia ser de uso prático.
