Sejam ímãs ou supercondutores, os materiais são conhecidos por suas várias propriedades. No entanto, essas propriedades podem mudar espontaneamente sob condições extremas. Pesquisadores da Technische Universität Dresden (TUD) e da Technische Universität München (TUM) descobriram um tipo totalmente novo dessas transições de fase. Eles exibem o fenômeno do emaranhamento quântico envolvendo muitos átomos, que anteriormente só foi observado no reino de alguns átomos. Os resultados foram publicados recentemente na revista científica Nature .
Nova pele para o gato quântico

Na física, o gato de Schroedinger é uma alegoria para dois dos efeitos mais inspiradores da mecânica quântica:emaranhamento e superposição. Pesquisadores de Dresden e Munique agora observaram esses comportamentos em uma escala muito maior do que a das menores partículas. Até agora, sabe-se que os materiais que exibem propriedades, como o magnetismo, têm os chamados domínios – ilhas nas quais as propriedades dos materiais são homogeneamente de um tipo ou de um tipo diferente (imagine-os sendo preto ou branco, por exemplo).

Olhando para o fluoreto de hólmio de lítio (LiHoF₄ ), os físicos descobriram agora uma transição de fase completamente nova, na qual os domínios exibem surpreendentemente características da mecânica quântica, resultando no emaranhamento de suas propriedades (sendo preto e branco ao mesmo tempo). "Nosso gato quântico agora tem um novo pelo porque descobrimos uma nova transição de fase quântica no LiHoF₄ que não se sabia existir anteriormente", diz Matthias Vojta, Presidente de Física Teórica do Estado Sólido da TUD.

Transições de fase e emaranhamento

Podemos observar facilmente as propriedades de mudança espontânea de uma substância se olharmos para a água – a 100 graus Celsius ela evapora em um gás, a zero graus Celsius ela congela em gelo. Em ambos os casos, esses novos estados da matéria se formam como consequência de uma transição de fase em que as moléculas de água se reorganizam, alterando assim as características da matéria. Propriedades como magnetismo ou supercondutividade surgem como resultado de elétrons passando por transições de fase em cristais. Para transições de fase em temperaturas próximas do zero absoluto em -273,15 graus Celsius, efeitos da mecânica quântica, como emaranhamento e transições de fase quântica, entram em jogo.

“Mesmo que existam mais de 30 anos de extensa pesquisa dedicada a transições de fase em materiais quânticos, anteriormente assumimos que o fenômeno do emaranhamento desempenhava um papel apenas em escala microscópica, onde envolve apenas alguns átomos de cada vez”. explica Christian Pfleiderer, professor de topologia de sistemas correlacionados no TUM.

O emaranhamento quântico é um estado no qual as partículas quânticas emaranhadas existem em um estado de superposição compartilhado que permite que propriedades geralmente mutuamente exclusivas (por exemplo, preto e branco) ocorram simultaneamente. Como regra, as leis da mecânica quântica só se aplicam a partículas microscópicas. As equipes de pesquisa de Munique e Dresden conseguiram agora observar os efeitos do emaranhamento quântico em uma escala muito maior, a de milhares de átomos. Para isso, eles optaram por trabalhar com o conhecido composto LiHoF₄ .

As amostras esféricas permitem medições de precisão

Em temperaturas muito baixas, LiHoF₄ atua como um ferromagneto onde todos os momentos magnéticos apontam espontaneamente na mesma direção. Se você aplicar um campo magnético exatamente na vertical na direção magnética preferida, os momentos magnéticos mudarão de direção, o que é conhecido como flutuações. Quanto maior a força do campo magnético, mais fortes essas flutuações se tornam, até que, eventualmente, o ferromagnetismo desaparece completamente em uma transição de fase quântica. Isso leva ao emaranhamento de momentos magnéticos vizinhos. "Se você segurar um LiHoF₄ amostra a um ímã muito forte, ela deixa de ser espontaneamente magnética. Isso é conhecido há 25 anos", diz Vojta.

O que é novo é o que acontece quando você muda a direção do campo magnético. “Descobrimos que a transição de fase quântica continua a ocorrer, enquanto anteriormente se acreditava que mesmo a menor inclinação do campo magnético a suprimiria imediatamente”, explica Pfleiderer. Sob essas condições, no entanto, não são momentos magnéticos individuais, mas sim extensas áreas magnéticas, os chamados domínios ferromagnéticos, que sofrem essas transições de fase quântica. Os domínios constituem ilhas inteiras de momentos magnéticos apontando na mesma direção.

"Usamos amostras esféricas para nossas medições de precisão. Foi isso que nos permitiu estudar com precisão o comportamento em pequenas mudanças na direção do campo magnético", acrescenta Andreas Wendl, que conduziu os experimentos como parte de sua tese de doutorado.

Da física fundamental às aplicações

"Descobrimos um tipo inteiramente novo de transições de fase quântica, onde o emaranhamento ocorre na escala de muitos milhares de átomos, em vez de apenas no microcosmo de apenas alguns", explica Vojta. "Se você imaginar os domínios magnéticos como um padrão preto e branco, a nova transição de fase leva as áreas brancas ou pretas a se tornarem infinitesimalmente pequenas, ou seja, criando um padrão quântico, antes de se dissolver completamente." Um modelo teórico recém-desenvolvido explica com sucesso os dados obtidos nos experimentos.

"Para nossa análise, generalizamos os modelos microscópicos existentes e também levamos em conta o feedback dos grandes domínios ferromagnéticos às propriedades microscópicas", diz Heike Eisenlohr, que realizou os cálculos como parte de seu doutorado. tese.

A descoberta das novas transições de fase quântica é importante como base e quadro geral de referência para a pesquisa de fenômenos quânticos em materiais, bem como para novas aplicações. “O emaranhamento quântico é aplicado e usado em tecnologias como sensores quânticos e computadores quânticos, entre outras coisas”, diz Vojta. Pfleiderer acrescenta:"Nosso trabalho está na área de pesquisa fundamental, que, no entanto, pode ter impacto direto no desenvolvimento de aplicações práticas, se você usar as propriedades dos materiais de maneira controlada". + Explorar mais

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