Às vezes as coisas estão um pouco fora de sintonia, e é exatamente o que você precisa.

Esse foi o caso quando cristais de ortoferrita apareceram em um laboratório da Rice University ligeiramente desalinhados. Esses cristais inadvertidamente se tornaram a base de uma descoberta que deve ressoar com os pesquisadores que estudam a tecnologia quântica baseada na spintrônica.

O físico do arroz Junichiro Kono, o ex-aluno Takuma Makihara e seus colaboradores encontraram um material ortoferrita, neste caso, óxido de ferro ítrio, colocado em um alto campo magnético mostrou-se exclusivamente sintonizável, interações ultra-fortes entre magnons no cristal.

Orthoferrites são cristais de óxido de ferro com a adição de um ou mais elementos de terras raras.

Magnons são quasipartículas, construções fantasmagóricas que representam a excitação coletiva do spin do elétron em uma rede de cristal.

O que um tem a ver com o outro é a base de um estudo que aparece em Nature Communications , onde Kono e sua equipe descrevem um acoplamento incomum entre dois magnons dominados por antirressonância, através do qual ambos os magnons ganham ou perdem energia simultaneamente.

Usualmente, quando dois osciladores se acoplam ressonantemente, um ganha energia às custas do outro, conservando energia total, Kono disse.

Mas no acoplamento anti-ressonante (ou contra-rotação), ambos os osciladores podem ganhar ou perder energia ao mesmo tempo por meio da interação com o vácuo quântico, o campo de ponto zero previsto para existir pela mecânica quântica.

Pense nisso como uma gangorra efêmera que pode ser forçada a se dobrar no meio.

Makihara e os co-autores Kenji Hayashida da Universidade de Hokkaido e o físico Motoaki Bamba da Universidade de Kyoto usaram a descoberta para mostrar através da teoria a probabilidade de compressão quântica significativa no estado fundamental do sistema magnon-magnon acoplado.

No estado comprimido, a quantidade de flutuação, ou barulho, de uma quantidade mensurável associada aos magnons pode ser suprimida, com ruído simultaneamente aumentado em outra quantidade, Kono disse. "Está relacionado ao princípio de incerteza de Heisenberg, no qual um conjunto de variáveis ​​está correlacionado, mas se você tentar medir precisamente um, você perde informações sobre o outro. Se você apertar um, a incerteza sobre o outro cresce.

"Usualmente, a fim de criar um estado compactado quântico, é preciso conduzir fortemente o sistema usando um feixe de laser. Mas o sistema de Takuma é intrinsecamente comprimido; isso é, pode ser descrito como um estado já comprimido, "disse ele." Esta pode se tornar uma plataforma útil para aplicações de sensoriamento quântico. "

Makihara disse que o estado único é alcançado com um forte campo magnético como o usado em imagens de ressonância magnética. O campo aplica torque aos momentos magnéticos em átomos, neste caso, os da ortoferrita. Isso faz com que eles girem (ou precessem).

Isso exige um campo poderoso. O RAMBO do laboratório Kono - o Rice Advanced Magnet with Broadband Optics - é um espectrômetro exclusivo desenvolvido com o físico Hiroyuki Nojiri na Tohoku University que permite aos pesquisadores expor materiais resfriados a quase zero absoluto a poderosos campos magnéticos de até 30 tesla em combinação com pulsos de laser ultracurtos .

"Estávamos dizendo, 'O que podemos estudar com o RAMBO? Que nova física existe neste regime único? '"Disse Makihara, agora um estudante de graduação na Universidade de Stanford. "Orthoferrites têm esses magnons que mudam até 30 tesla e frequências no regime de terahertz. As medições iniciais não foram tão interessantes.

"Mas então recebemos cristais (cultivados pelo físico da Universidade de Xangai Shixun Cao e seu grupo) que não tinham faces perfeitamente paralelas, "ele disse." Eles foram meio cortados em um ângulo. E um dia, carregamos o cristal no ímã em um ângulo tal que o campo magnético não foi aplicado ao longo do eixo do cristal.

"Esperávamos que a frequência do magnon apenas mudasse com o campo magnético, mas quando estava inclinado, vimos uma pequena lacuna, "Makihara disse." Então, depois de discutir este achado com o professor Bamba, solicitamos explicitamente cristais que foram cortados em ângulos diferentes e os medimos, e vi este enorme grau de anti-cruzamento. Essa é a assinatura do acoplamento ultra forte. "

A antirressonância sempre existe nas interações matéria-luz e matéria-matéria, mas é uma presença menor em comparação com a interação ressonante dominante, os pesquisadores notaram. Esse não foi o caso dos ortoferritos estudados pelo laboratório Kono.

Expor o material a um alto campo magnético e inclinar o cristal em relação ao campo de antirressonância bombeado que igualou e até superou a ressonância.

Se campos magnéticos rotativos adicionais (por exemplo, da luz circularmente polarizada) são introduzidos, os momentos de precessão interagem fortemente com os campos que giram com os momentos (os campos co-rotativos), enquanto eles interagem fracamente com campos que giram nas direções opostas (os campos de contra-rotação).

Na teoria quântica, Bamba disse, essas chamadas interações contra-rotativas levam a interações bizarras em que os subsistemas de luz e matéria podem ganhar ou perder energia ao mesmo tempo. As interações entre os momentos magnéticos e os campos contra-rotativos são consideradas antirressonantes e normalmente têm pouco efeito. Contudo, no sistema acoplado matéria-matéria estudado em Rice, as interações anti-ressonantes podem se tornar dominantes.

"A força das interações co-rotativas e contra-rotativas é geralmente uma constante fixa em um sistema, e os efeitos das interações co-rotativas sempre dominam aqueles das interações contra-rotativas, "Kono disse." Mas este sistema é contra-intuitivo porque existem duas forças de acoplamento independentes, e eles são incrivelmente ajustáveis ​​por meio da orientação do cristal e da intensidade do campo magnético. Podemos criar uma nova situação em que os efeitos dos termos contra-rotativos são mais dominantes do que dos termos co-rotativos.

"Em sistemas de matéria leve, quando as frequências de luz e matéria se tornam iguais, eles se misturam para formar um polariton, "disse ele." Algo semelhante acontece no nosso caso, mas é entre matéria e matéria. Dois modos magnon hibridizam. Há uma questão de longa data sobre o que acontece quando o grau de hibridização torna-se tão alto que excede até mesmo a energia de ressonância.

"Em tal regime, fenômenos exóticos são previstos para ocorrer devido a interações de contra-rotação, incluindo um estado de vácuo comprimido e uma transição de fase para um novo estado onde campos estáticos aparecem espontaneamente, "disse ele." E descobrimos que podemos alcançar tais condições ajustando o campo magnético. "

O novo estudo avança os esforços da equipe Kono para observar a transição de fase superradiante Dicke, um fenômeno que poderia criar um novo estado exótico da matéria e levar a avanços na memória quântica e na transdução. O laboratório encontrou uma abordagem promissora para realizá-la no acoplamento matéria-matéria em 2018, relatando sua descoberta em Ciência .

A descoberta também demonstra que a ortoferrita em um campo magnético pode servir como um simulador quântico, um sistema quântico simples e altamente ajustável que representa um mais complexo com um número intratável de partículas interagindo ou um regime de parâmetros experimentalmente inacessível, Kono disse.

O acoplamento magnon-magnon ajustável em ortoferrites pode ser usado para fornecer uma visão sobre a natureza do estado fundamental de um ultra forte, híbrido de matéria leve acoplado, ele disse.

Kono disse que suas descobertas também levarão a uma busca por mais materiais que exibam o efeito. "Os ortoferritos de terras raras são uma grande família de materiais, e estudamos apenas um, " ele disse.