Usando uma nova técnica, cientistas que trabalham no National High Magnetic Field Laboratory, sediada na Florida State University, encontraram evidências de um líquido quântico de spin, um estado da matéria que é promissor como um bloco de construção para os computadores quânticos de amanhã.

Os pesquisadores descobriram o comportamento excitante enquanto estudavam os chamados spins de elétrons no tricloreto de rutênio composto. Suas descobertas, publicado hoje no jornal Física da Natureza , mostram que os spins do elétron interagem através do material, efetivamente reduzindo a energia geral. Este tipo de comportamento - consistente com um líquido de spin quântico - foi detectado no tricloreto de rutênio em altas temperaturas e em altos campos magnéticos.

Líquidos de giro, teorizado pela primeira vez em 1973, permanecem um mistério. Apesar de alguns materiais apresentarem sinais promissores para este estado da matéria, é extremamente desafiador confirmar definitivamente sua existência. Contudo, há um grande interesse neles porque os cientistas acreditam que eles poderiam ser usados ​​para o projeto de materiais mais inteligentes em uma variedade de aplicações, como a computação quântica.

Este estudo fornece um forte suporte de que o tricloreto de rutênio é um líquido de spin, disse a física Kim Modic, um ex-aluno de graduação que trabalhou nas instalações de campo pulsado do MagLab e agora é professor assistente no Instituto de Ciência e Tecnologia da Áustria.

"Acho que este artigo fornece uma nova perspectiva sobre o tricloreto de rutênio e demonstra uma nova maneira de procurar assinaturas de líquidos de spin, "disse Modic, o autor principal do artigo.

Por décadas, os físicos estudaram extensivamente a carga de um elétron, que carrega eletricidade, abrindo caminho para avanços na eletrônica, energia e outras áreas. Mas os elétrons também têm uma propriedade chamada spin. Os cientistas também querem aproveitar o aspecto do spin dos elétrons para a tecnologia, mas o comportamento universal dos spins ainda não foi totalmente compreendido.

Em termos simples, os elétrons podem ser pensados ​​como girando em um eixo, como um top, orientado em alguma direção. Em materiais magnéticos, esses spins se alinham uns com os outros, tanto na mesma direção quanto em direções opostas. Chamado de ordenação magnética, este comportamento pode ser induzido ou suprimido pela temperatura ou campo magnético. Uma vez que a ordem magnética é suprimida, estados mais exóticos da matéria poderiam surgir, como líquidos de spin quânticos.

Na busca por um líquido de rotação, a equipe de pesquisa investigou o tricloreto de rutênio. Sua estrutura em forma de favo de mel, apresentando um giro em cada site, é como uma versão magnética do grafeno - outro tópico quente na física da matéria condensada.

"O rutênio é muito mais pesado que o carbono, o que resulta em fortes interações entre os spins, "disse o físico do MagLab Arkady Shekhter, um co-autor no artigo.

A equipe esperava que essas interações aumentassem a frustração magnética no material. É uma espécie de cenário de "três empresas", em que dois spins se unem, deixando o terceiro em um limbo magnético, que impede a ordenação magnética. Essa frustração, a equipe formulou a hipótese, pode levar a um estado líquido de centrifugação. Seus dados acabaram confirmando suas suspeitas.

"Parece que, a baixas temperaturas e sob um campo magnético aplicado, o tricloreto de rutênio mostra sinais do comportamento que procuramos, "Disse Modic." Os spins não se orientam simplesmente dependendo do alinhamento dos spins vizinhos, mas sim são dinâmicos - como moléculas de água em turbilhão - enquanto mantêm alguma correlação entre eles. "

As descobertas foram possibilitadas por uma nova técnica desenvolvida pela equipe chamada magnetometria de torção ressonante, que mede com precisão o comportamento dos spins do elétron em campos magnéticos elevados e pode levar a muitos outros novos insights sobre materiais magnéticos, Modic disse.

"Não temos realmente as técnicas laboriosas ou a maquinaria analítica para estudar as excitações dos spins do elétron, como fazemos para sistemas de carga, "Modic disse." Os métodos que existem normalmente requerem grandes tamanhos de amostra, que pode não estar disponível. Nossa técnica é altamente sensível e funciona em pequenos, amostras delicadas. Isso pode ser uma virada de jogo para esta área de pesquisa. "

Modic desenvolveu a técnica como pesquisador de pós-doutorado e depois trabalhou com os físicos do MagLab Shekhter e Ross McDonald, outro co-autor do artigo, para medir o tricloreto de rutênio em campos magnéticos elevados.

A técnica envolvia a montagem de amostras de tricloreto de rutênio em um cantilever do tamanho de um fio de cabelo. Eles adaptaram um diapasão de quartzo - semelhante ao de um relógio de cristal de quartzo - para vibrar o cantilever em um campo magnético. Em vez de usá-lo para dizer o tempo com precisão, eles mediram a frequência de vibração para estudar a interação entre os spins no tricloreto de rutênio e o campo magnético aplicado. Eles realizaram suas medições em dois ímãs poderosos no National MagLab.

"A beleza da nossa abordagem é que é uma configuração relativamente simples, que nos permitiu realizar nossas medições em um ímã resistivo de 35 tesla e um ímã de campo pulsado de 65 tesla, "Modic disse.

A próxima etapa da pesquisa será estudar esse sistema no ímã pulsado de 100 tesla, recorde mundial do MagLab.

"Essa altura de um campo magnético deve nos permitir observar diretamente a supressão do estado líquido de spin, o que nos ajudará a aprender ainda mais sobre o funcionamento interno deste composto, "Shekhter disse.