Pesquisadores da Universidade de Princeton conduziram experimentos em materiais conhecidos como líquidos de spin quântico, encontrar evidências de que os elétrons no regime quântico se comportam como se fossem feitos de duas partículas. Crédito:Catherine Zandonella, Universidade de Princeton
Uma nova descoberta liderada pela Universidade de Princeton pode mudar nossa compreensão de como os elétrons se comportam sob condições extremas em materiais quânticos. A descoberta fornece evidências experimentais de que este bloco de construção familiar se comporta como se fosse feito de duas partículas:uma partícula que dá ao elétron sua carga negativa e outra que fornece sua propriedade de ímã, conhecido como spin.
"Acreditamos que esta seja a primeira evidência concreta de separação de carga de spin, "disse Nai Phuan Ong, Eugene Higgins, professor de Física de Princeton e autor sênior do artigo publicado esta semana na revista Física da Natureza .
Os resultados experimentais cumprem uma previsão feita décadas atrás para explicar um dos estados da matéria mais alucinantes, o líquido de spin quântico. Em todos os materiais, o spin de um elétron pode apontar para cima ou para baixo. No ímã familiar, todas as rotações apontam uniformemente em uma direção em toda a amostra quando a temperatura cai abaixo de uma temperatura crítica.
Contudo, em materiais líquidos de rotação, os spins são incapazes de estabelecer um padrão uniforme, mesmo quando resfriados muito próximos do zero absoluto. Em vez de, os giros estão mudando constantemente de uma forma fortemente coordenada, coreografia emaranhada. O resultado é um dos estados quânticos mais emaranhados já concebidos, um estado de grande interesse para pesquisadores no campo crescente da computação quântica.
Para descrever esse comportamento matematicamente, Philip Anderson, físico ganhador do prêmio Nobel de Princeton (1923-2020), que primeiro previu a existência de líquidos de spin em 1973, propôs uma explicação:no regime quântico um elétron pode ser considerado como composto de duas partículas, um contendo a carga negativa do elétron e o outro contendo seu spin. Anderson chamou a partícula que contém o spin de spinon.
Neste novo estudo, a equipe procurou por sinais do spinon em um líquido de spin composto de átomos de rutênio e cloro. Em temperaturas uma fração de Kelvin acima do zero absoluto (ou cerca de -452 graus Fahrenheit) e na presença de um alto campo magnético, os cristais de cloreto de rutênio entram no estado líquido de rotação.
O gráfico de cores 3D, um composto de muitos experimentos, mostra como a condutividade térmica κxx (eixo vertical) varia em função do campo magnético B (eixo horizontal) e da temperatura T (eixo na página). As oscilações fornecem evidências de spinons. Crédito:Peter Czajka, Universidade de Princeton
O estudante de graduação Peter Czajka e Tong Gao, Ph.D. 2020, conectou três termômetros altamente sensíveis ao cristal colocado em um banho mantido em temperaturas próximas a zero graus Kelvin absolutos. Eles então aplicaram o campo magnético e uma pequena quantidade de calor a uma borda do cristal para medir sua condutividade térmica, uma quantidade que expressa o quão bem ele conduz uma corrente de calor. Se spinons estivessem presentes, eles devem aparecer como um padrão oscilante em um gráfico da condutividade térmica versus campo magnético.
O sinal oscilante que eles procuravam era minúsculo - apenas alguns centésimos de mudança de grau - de modo que as medições exigiam um controle extraordinariamente preciso da temperatura da amostra, bem como calibrações cuidadosas dos termômetros no forte campo magnético.
A equipe usou os cristais mais puros disponíveis, os cultivados no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) sob a liderança de David Mandrus, professor de ciência de materiais na University of Tennessee-Knoxville, e Stephen Nagler, diretor da divisão de matéria condensada quântica do ORNL. A equipe ORNL estudou extensivamente as propriedades do líquido quântico de spin do cloreto de rutênio.
Em uma série de experimentos realizados ao longo de quase três anos, Czajka e Gao detectaram oscilações de temperatura consistentes com spinons com resolução cada vez mais alta, fornecendo evidências de que o elétron é composto de duas partículas consistentes com a previsão de Anderson.
“Há quatro décadas que as pessoas procuram esta assinatura, "Ong disse, "Se este achado e a interpretação spinon forem validados, iria avançar significativamente o campo dos líquidos de spin quânticos. "
Czajka e Gao passaram o verão passado confirmando os experimentos enquanto estavam sob as restrições do COVID que exigiam que usassem máscaras e mantivessem o distanciamento social.
"Do lado puramente experimental, "Czajka disse, "foi emocionante ver resultados que realmente quebram as regras que você aprende nas aulas de física elementar."
