Um líquido de spin quântico é um estado da matéria em que os spins quânticos em interação não se alinham mesmo em temperaturas mais baixas, mas permanece desordenado. A pesquisa sobre este estado vem acontecendo há quase 50 anos, mas se ele realmente existe nunca foi provado sem sombra de dúvida. Uma equipe internacional liderada pelo físico Prof. Martin Dressel da Universidade de Stuttgart acabou com o sonho de um líquido de spin quântico por enquanto. No entanto, o assunto continua emocionante.

Quando as temperaturas caem abaixo de zero graus Celsius, a água se transforma em gelo. Mas tudo realmente congela se você apenas esfriar o suficiente? Na foto clássica, a matéria inerentemente torna-se sólida em baixas temperaturas. A mecânica quântica pode, Contudo, quebrar esta regra. Portanto, gás hélio, por exemplo, pode se tornar líquido a -270 graus, mas nunca sólido sob pressão atmosférica:não há gelo de hélio.

O mesmo é verdade para as propriedades magnéticas dos materiais:em temperaturas suficientemente baixas, os momentos magnéticos conhecidos como 'spins', por exemplo, organizam-se de maneira que fiquem orientados oposta / antiparalela a seus respectivos vizinhos. Pode-se pensar nisso como setas apontando alternadamente para cima e para baixo ao longo de uma corrente ou em um padrão xadrez. É frustrante quando o padrão é baseado em triângulos:embora dois giros possam se alinhar em direções opostas, o terceiro é sempre paralelo a um deles e não ao outro - não importa como você o gire.

Para este problema, a mecânica quântica sugere a solução de que a orientação e ligação de dois spins não são rígidas, mas os spins flutuam. O estado formado é chamado de líquido de spin quântico, no qual os spins constituem um conjunto emaranhado mecanicamente quântico. Essa ideia foi proposta quase cinquenta anos atrás pelo ganhador do Nobel americano Phil W. Anderson (1923-2020). Após décadas de pesquisa, apenas um punhado de materiais reais permanece em busca desse exótico estado da matéria. Como um 'candidato' particularmente promissor, foi considerada uma rede triangular em um composto orgânico complexo, em que nenhuma ordem magnética com um padrão regular de cima para baixo pode ser observada, mesmo em temperaturas extremamente baixas. Seria esta a prova de que os líquidos quânticos de spin realmente existem?

Um problema é que é extremamente desafiador medir spins de elétrons a temperaturas extremamente baixas, especialmente ao longo de diferentes direções de cristal e em campos magnéticos variáveis. Todos os experimentos anteriores foram capazes de sondar líquidos de spin quântico apenas mais ou menos indiretamente, e sua interpretação é baseada em certos pressupostos e modelos. Portanto, um novo método de espectroscopia de ressonância de spin eletrônico de banda larga foi desenvolvido ao longo de muitos anos no Instituto de Física 1 da Universidade de Stuttgart.

Usando linhas de micro-ondas no chip, pode-se observar diretamente as propriedades dos spins até alguns centésimos de grau acima do zero absoluto. Ao fazer isso, os pesquisadores descobriram que os momentos magnéticos não se organizam no padrão de cima para baixo de um ímã típico, nem formam um estado dinâmico semelhante a um líquido. "Na verdade, observamos os spins em pares separados espacialmente. Assim, nossos experimentos destruíram o sonho de um líquido quântico de spin por enquanto, pelo menos para este composto, "resume o Prof. Martin Dressel, chefe do Instituto de Física 1.

Mas mesmo que os pares não tenham flutuado como esperado, este exótico estado fundamental da matéria não perdeu nada de seu fascínio para os físicos. "Queremos investigar se os líquidos quânticos de spin podem ser detectáveis ​​em outros compostos de rede triangular ou mesmo em sistemas completamente diferentes, como estruturas em favo de mel", Dressel descreve os próximos passos. Contudo, também pode ser que tal desordenada, estado dinâmico simplesmente não existe na natureza. Talvez todo tipo de interação leve de uma forma ou de outra a um arranjo regular se a temperatura estiver baixa o suficiente. Os giros gostam de emparelhar.