Materiais avançados com propriedades mais inovadoras quase sempre são desenvolvidos adicionando mais elementos à lista de ingredientes. Mas a pesquisa quântica sugere que alguns materiais mais simples podem já ter propriedades avançadas que os cientistas simplesmente não podiam ver, até agora.

Pesquisadores da Georgia Tech e da University of Tennessee – Knoxville descobriram comportamento quântico oculto e inesperado em um material de iodeto de ferro bastante simples (FeI ₂ ) que foi descoberto há quase um século. Os novos insights de pesquisa sobre o comportamento do material foram habilitados usando uma combinação de experimentos de espalhamento de nêutrons e cálculos de física teórica no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE).

As descobertas da equipe - publicadas no jornal Física da Natureza - resolve um quebra-cabeça de 40 anos sobre o comportamento misterioso do material e pode ser usado como um mapa para desbloquear um tesouro de fenômenos quânticos em outros materiais.

"Nossa descoberta foi motivada em grande parte pela curiosidade, "disse Xiaojian Bai, o primeiro autor do artigo. Bai obteve seu Ph.D. na Georgia Tech e trabalha como pesquisador de pós-doutorado no ORNL, onde ele usa nêutrons para estudar materiais magnéticos. "Eu descobri este material de iodeto de ferro em 2019 como parte do meu projeto de tese de doutorado. Eu estava tentando encontrar compostos com um arranjo de rede triangular magnética que exibe o que é chamado de 'magnetismo frustrado'."

Em ímãs comuns, como ímãs de geladeira, os elétrons do material estão dispostos em uma linha como setas que apontam todas na mesma direção - para cima ou para baixo - ou alternam entre para cima e para baixo. As direções que os elétrons apontam são chamadas de 'spins'. Mas em materiais mais complexos como iodeto de ferro, os elétrons estão dispostos em uma grade triangular, em que as forças magnéticas entre os três momentos magnéticos são conflitantes e não têm certeza de qual direção apontar - portanto, 'magnetismo frustrado.'

"Enquanto eu lia toda a literatura, Eu notei este composto, iodeto de ferro, que foi descoberto em 1929 e foi estudado de forma um tanto intensiva nas décadas de 1970 e 80, "disse Bai." Na época, eles viram algumas peculiaridades, ou modos de comportamento não convencionais, mas eles realmente não tinham os recursos para entender completamente por que estavam vendo isso. Então, sabíamos que havia algo não resolvido que era estranho e interessante, e comparado a quarenta anos atrás, temos ferramentas experimentais muito mais poderosas disponíveis, então decidimos revisitar este problema e esperamos fornecer alguns novos insights. "

Os materiais quânticos são frequentemente descritos como sistemas que exibem um comportamento exótico e desobedecem às leis clássicas da física - como um material sólido que se comporta como um líquido, com partículas que se movem como água e se recusam a congelar ou parar seu movimento mesmo em temperaturas de congelamento. Entender como funcionam esses fenômenos exóticos, ou seus mecanismos subjacentes, é a chave para o avanço da eletrônica e o desenvolvimento de outras tecnologias de próxima geração.

"Em materiais quânticos, duas coisas são de grande interesse:fases da matéria, como líquidos, sólidos, e gases, e excitações dessas fases, como ondas sonoras. De forma similar, ondas de spin são excitações de um material sólido magnético, "disse Martin Mourigal, professor de física na Georgia Tech. "Por muito tempo, nossa busca em materiais quânticos tem sido encontrar fases exóticas, mas a pergunta que nos perguntamos nesta pesquisa é 'Talvez a fase em si não seja aparentemente exótica, mas e se suas excitações forem? ' E de fato foi isso que descobrimos. "

Os nêutrons são sondas ideais para estudar o magnetismo porque eles próprios agem como ímãs microscópicos e podem ser usados ​​para interagir e excitar outras partículas magnéticas sem comprometer a estrutura atômica de um material.

Bai conheceu nêutrons quando era um estudante de pós-graduação de Mourigal na Georgia Tech. Mourigal tem sido um usuário frequente de espalhamento de nêutrons no High Flux Isotope Reactor (HFIR) e Spallation Neutron Source (SNS) do ORNL por vários anos, usando as instalações de usuário do DOE Office of Science para estudar uma ampla gama de materiais quânticos e seus vários e bizarros comportamentos.

Quando Bai e Mourigal expuseram o material de iodeto de ferro a um feixe de nêutrons, eles esperavam ver uma excitação particular ou banda de energia associada a um momento magnético de um único elétron; mas em vez disso, eles não viram um, mas duas flutuações quânticas diferentes emanando simultaneamente.

"Os nêutrons nos permitiram ver essa flutuação oculta de forma muito clara e pudemos medir todo o seu espectro de excitação, mas ainda não entendíamos por que estávamos vendo um comportamento tão anormal em uma fase aparentemente clássica, "disse Bai.

Para respostas, eles se voltaram para o físico teórico Cristian Batista, Lincoln Chair Professor da University of Tennessee – Knoxville, e vice-diretor do Centro Shull Wollan do ORNL - um instituto conjunto para ciências de nêutrons que fornece aos pesquisadores visitantes recursos e experiência adicionais de espalhamento de nêutrons.

Com a ajuda de Batista e seu grupo, a equipe foi capaz de modelar matematicamente o comportamento da misteriosa flutuação quântica e, depois de realizar experimentos de nêutrons adicionais usando os instrumentos CORELLI e SEQUOIA no SNS, eles foram capazes de identificar o mecanismo que estava causando o seu aparecimento.

"O que a teoria previu e o que pudemos confirmar com os nêutrons, é que essa flutuação exótica acontece quando a direção do spin entre dois elétrons é invertida, e seus momentos magnéticos se inclinam em direções opostas, "Batista disse." Quando os nêutrons interagem com os spins dos elétrons, os spins giram em sincronicidade ao longo de uma certa direção no espaço. Esta coreografia desencadeada pelo espalhamento de nêutrons cria uma onda de spin. "

Ele explicou que em diferentes materiais, Os giros eletrônicos podem assumir muitas orientações diferentes e coreografias de giro que criam diferentes tipos de ondas de giro. Na mecânica quântica, este conceito é conhecido como "dualidade onda-partícula, "em que as novas ondas são consideradas como novas partículas e normalmente ficam ocultas para o espalhamento de nêutrons em condições normais.

"Num sentido, estamos procurando por partículas escuras, "Batista acrescentou." Não podemos vê-los, mas sabemos que eles estão lá porque podemos ver seus efeitos, ou as interações que eles estão tendo com as partículas que podemos ver. "

"Na mecânica quântica, não há distinção entre ondas e partículas. Nós entendemos o comportamento da partícula com base no comprimento de onda, e é isso que os nêutrons nos permitem medir, "disse Bai.

Mourigal comparou a forma como os nêutrons detectam partículas a ondas quebrando em torno das rochas na superfície do oceano.

"Em águas paradas, não podemos ver as rochas no fundo do oceano até que uma onda se mova sobre elas, "Mourigal disse." Foi apenas criando tantas ondas quanto possível com nêutrons que, através da teoria de Cristian, Xiaojian foi capaz de identificar as rochas, ou neste caso, as interações que tornam visível a flutuação oculta.

O controle do comportamento magnético quântico já levou a avanços tecnológicos, como a máquina de ressonância magnética e o armazenamento em disco rígido magnético que catalisou a computação pessoal. Materiais quânticos mais exóticos podem acelerar a próxima onda tecnológica.

Além de Bai, Mourigal, e Batista, os autores do artigo incluem Shang-Shun Zhang, Zhiling Dun, Hao Zhang, Qing Huang, Haidong Zhou, Matthew Stone, Alexander Kolesnikov, e Feng Ye.

Desde sua descoberta, a equipe usou esses insights para desenvolver e testar previsões em um conjunto mais amplo de materiais que eles esperam que produzam resultados mais promissores.

"À medida que introduzimos mais ingredientes em um material, também aumentamos os problemas potenciais, como desordem e heterogeneidades. Se realmente queremos entender e criar sistemas mecânicos quânticos limpos com base em materiais, voltar a esses sistemas simples pode ser mais importante do que pensamos, "disse Mourigal.

"Então isso resolve o quebra-cabeça de 40 anos da excitação misteriosa no iodeto de ferro, ", disse Bai." Temos a vantagem hoje nos avanços de instalações de nêutrons em grande escala como o SNS, que nos permitem basicamente sondar todo o espaço de energia e momento de um material para ver o que está acontecendo com essas excitações exóticas.

"Agora que entendemos como esse comportamento exótico funciona em um material relativamente simples, podemos imaginar o que poderíamos encontrar nas mais complicadas. Essa nova compreensão nos motivou e, esperançosamente, motivará a comunidade científica a investigar mais desses tipos de materiais, o que certamente nos levará a uma física mais interessante. "