Em 1973, o físico e mais tarde ganhador do Nobel Philip W. Anderson propôs um estado bizarro da matéria:o líquido quântico de spin (QSL). Ao contrário dos líquidos diários que conhecemos, o QSL na verdade tem a ver com magnetismo - e magnetismo tem a ver com spin.

O spin desordenado do elétron produz QSLs

O que torna um ímã? Foi um mistério duradouro, mas hoje finalmente sabemos que o magnetismo surge de uma propriedade peculiar das partículas subatômicas, como elétrons. Essa propriedade é chamada de "spin, "e a melhor - embora grosseiramente insuficiente - maneira de pensar nisso é como o brinquedo giratório de uma criança.

O que é importante para o magnetismo é que o spin transforma cada um dos bilhões de elétrons de um material em um ímã minúsculo com sua própria "direção" magnética (pense nos pólos norte e sul de um ímã). Mas os spins do elétron não são isolados; eles interagem uns com os outros de maneiras diferentes até que se estabilizem para formar vários estados magnéticos, concedendo assim ao material que pertencem a propriedades magnéticas.

Em um ímã convencional, os spins interagindo se estabilizam, e as direções magnéticas de cada elétron se alinham. Isso resulta em uma formação estável.

Mas no que é conhecido como um ímã "frustrado", os spins do elétron não podem se estabilizar na mesma direção. Em vez de, eles flutuam constantemente como um líquido - daí o nome "líquido de spin quântico".

Líquidos de spin quântico em tecnologias futuras

O que é empolgante sobre os QSLs é que eles podem ser usados ​​em vários aplicativos. Porque eles vêm em variedades diferentes com propriedades diferentes, QSLs podem ser usados ​​em computação quântica, telecomunicações, supercondutores, spintrônica (uma variação da eletrônica que usa o spin do elétron em vez da corrente), e uma série de outras tecnologias baseadas em quantum.

Mas antes de explorá-los, primeiro temos que obter uma compreensão sólida dos estados de QSL. Para fazer isso, os cientistas têm que encontrar maneiras de produzir QSLs sob demanda - uma tarefa que se mostrou difícil até agora, com apenas alguns materiais em oferta como candidatos QSL.

Um material complexo pode resolver um problema complexo

Publicando em PNAS , cientistas liderados por Péter Szirmai e Bálint Náfrádi no laboratório de László Forró na Escola de Ciências Básicas da EPFL produziram e estudaram com sucesso um QSL em um material altamente original conhecido como EDT-BCO. O sistema foi projetado e sintetizado pelo grupo de Patrick Batail da Université d'Angers (CNRS).

A estrutura do EDT-BCO é o que possibilita a criação de um QSL. O elétron gira no EDT-BCO formam dímeros triangularmente organizados, cada um dos quais tem um momento magnético de spin 1/2, o que significa que o elétron deve girar totalmente duas vezes para retornar à sua configuração inicial. As camadas de dímeros spin-1/2 são separadas por uma sub-rede de ânions carboxilato centrados por um biciclo-octano quiral. Os ânions são chamados de "rotores" porque possuem graus de liberdade conformacional e rotacional.

O componente exclusivo do rotor em um sistema magnético torna o material especial entre os candidatos QSL, representando uma nova família de materiais. "A sutil desordem provocada pelos componentes do rotor introduz uma nova alavanca no sistema de rotação, "diz Szirmai.

Os cientistas e seus colaboradores empregaram um arsenal de métodos para explorar o EDT-BCO como um candidato a material QSL:cálculos de teoria funcional de densidade, medições de ressonância de spin de elétrons de alta frequência (uma marca registrada do laboratório de Forró), ressonância magnética nuclear, e espectroscopia de spin de múon. Todas essas técnicas exploram as propriedades magnéticas do EDT-BCO de diferentes ângulos.

Todas as técnicas confirmaram a ausência de ordem magnética de longo alcance e o surgimento de um QSL. Resumidamente, EDT-BCO junta-se oficialmente às categorias limitadas de materiais QSL e nos leva um passo adiante na próxima geração de tecnologias. Como afirma Bálint Náfrádi:"Além da demonstração soberba do estado de QSL, nosso trabalho é altamente relevante, porque fornece uma ferramenta para obter materiais QSL adicionais por meio de moléculas de rotor funcionais personalizadas. "