O trabalho de detetive computacional de físicos americanos e alemães confirmou que o pirocloro de zircônio de cério é um líquido de spin quântico 3D.
Apesar do nome, os líquidos de spin quântico são materiais sólidos nos quais o emaranhamento quântico e o arranjo geométrico dos átomos frustram a tendência natural dos elétrons de se ordenarem magneticamente um em relação ao outro. A frustração geométrica em um líquido de spin quântico é tão grave que os elétrons flutuam entre os estados magnéticos quânticos, não importa o quão frios se tornem.

Os físicos teóricos trabalham rotineiramente com modelos de mecânica quântica que manifestam líquidos de spin quântico, mas encontrar evidências convincentes de que eles existem em materiais físicos reais tem sido um desafio de décadas. Embora vários materiais 2D ou 3D tenham sido propostos como possíveis líquidos de spin quântico, o físico da Universidade Rice, Andriy Nevidomskyy, disse que não há consenso estabelecido entre os físicos de que qualquer um deles se qualifique.

Nevidomskyy espera que isso mude com base na investigação computacional que ele e colegas de Rice, Florida State University e do Instituto Max Planck de Física de Sistemas Complexos em Dresden, Alemanha, publicado este mês na revista de acesso aberto npj Quantum Materials .

“Com base em todas as evidências que temos hoje, este trabalho confirma que os cristais únicos do pirocloro de cério identificados como líquidos de spin quântico 3D candidatos em 2019 são de fato líquidos de spin quântico com excitações de spin fracionadas”, disse ele.

A propriedade inerente dos elétrons que leva ao magnetismo é o spin. Cada elétron se comporta como um minúsculo ímã de barra com um pólo norte e um pólo sul e, quando medidos, os spins individuais dos elétrons sempre apontam para cima ou para baixo. Na maioria dos materiais do dia a dia, os giros apontam para cima ou para baixo aleatoriamente. Mas os elétrons são anti-sociais por natureza, e isso pode fazer com que eles organizem seus spins em relação aos seus vizinhos em algumas circunstâncias. Nos ímãs, por exemplo, os spins são dispostos coletivamente na mesma direção e, nos antiferromagnetos, eles são organizados em um padrão de cima para baixo, de cima para baixo.

Em temperaturas muito baixas, os efeitos quânticos se tornam mais proeminentes, e isso faz com que os elétrons organizem seus spins coletivamente na maioria dos materiais, mesmo naqueles onde os spins apontariam em direções aleatórias à temperatura ambiente. Líquidos de spin quânticos são um contra-exemplo, onde os spins não apontam em uma direção definida - nem para cima ou para baixo - não importa o quão frio o material se torne.

“Um líquido de spin quântico, por sua própria natureza, é um exemplo de um estado fracionado da matéria”, disse Nevidomskyy, professor associado de física e astronomia e membro da Rice Quantum Initiative e do Rice Center for Quantum Materials (RCQM). . "As excitações individuais não são giros de cima para baixo ou vice-versa. São esses objetos bizarros e deslocalizados que carregam metade de um grau de liberdade de rotação.

Nevidomskyy fez parte do estudo de 2019 liderado pelo físico experimental de Rice, Pengcheng Dai, que encontrou a primeira evidência de que o pirocloro de zircônio de cério era um líquido de spin quântico. As amostras da equipe foram as primeiras desse tipo:pirocloros por causa de sua proporção de 2 para 2 para 7 de cério, zircônio e oxigênio, e cristais únicos porque os átomos dentro estavam dispostos em uma rede contínua e ininterrupta. Experimentos de espalhamento de nêutrons inelásticos por Dai e colegas revelaram uma marca registrada do líquido de spin quântico, um continuum de excitações de spin medidas em temperaturas tão baixas quanto 35 milikelvin.

"Você poderia argumentar que eles encontraram o suspeito e o acusaram do crime", disse Nevidomskyy. "Nosso trabalho neste novo estudo era provar ao júri que o suspeito é culpado."

Nevidomskyy e seus colegas construíram seu caso usando métodos de Monte Carlo de última geração, diagonalização exata, bem como ferramentas analíticas para realizar os cálculos de dinâmica de spin para um modelo mecânico quântico existente de pirocloro de cério e zircônio. O estudo foi concebido por Nevidomskyy e Roderich Moessner de Max Planck, e as simulações de Monte Carlo foram realizadas por Anish Bhardwaj e Hitesh Changlani da Florida State, com contribuições de Han Yan de Rice e Shu Zhang de Max Planck.

"A estrutura para esta teoria era conhecida, mas os parâmetros exatos, dos quais existem pelo menos quatro, não eram", disse Nevidomskyy. "Em compostos diferentes, esses parâmetros podem ter valores diferentes. Nosso objetivo era encontrar esses valores para pirocloro de cério e determinar se eles descrevem um líquido de spin quântico."

"Seria como um especialista em balística que está usando a segunda lei de Newton para calcular a trajetória de uma bala", disse ele. "A lei de Newton é conhecida, mas só tem poder preditivo se você fornecer as condições iniciais, como a massa e a velocidade inicial da bala. Essas condições iniciais são análogas a esses parâmetros. Tivemos que fazer engenharia reversa ou investigar:'Quais são essas condições dentro deste material de cério?' e, 'Isso corresponde à previsão deste líquido de spin quântico?'"

Para construir um caso convincente, os pesquisadores testaram o modelo contra resultados termodinâmicos, de dispersão de nêutrons e magnetização de estudos experimentais publicados anteriormente de pirocloro de zircônio de cério.

"Se você tiver apenas uma evidência, poderá inadvertidamente encontrar vários modelos que ainda se encaixam na descrição", disse Nevidomskyy. "Na verdade, combinamos não uma, mas três evidências diferentes. Então, um único candidato teve que combinar todos os três experimentos."

Alguns estudos implicaram o mesmo tipo de flutuações magnéticas quânticas que surgem em líquidos de spin quântico como uma possível causa para a supercondutividade não convencional. Mas Nevidomskyy disse que as descobertas computacionais são principalmente de interesse fundamental para os físicos.

"Isso satisfaz nosso desejo inato, como físicos, de descobrir como a natureza funciona", disse ele. "Não há nenhum aplicativo que eu conheça que possa se beneficiar. Não está imediatamente vinculado à computação quântica, embora existam ideias para usar excitações fracionadas como uma plataforma para qubits lógicos."

Ele disse que um ponto particularmente interessante para os físicos é a profunda conexão entre os líquidos de spin quântico e a realização experimental de monopolos magnéticos, partículas teóricas cuja existência potencial ainda é debatida por cosmólogos e físicos de alta energia.

“Quando as pessoas falam sobre fracionamento, o que elas querem dizer é que o sistema se comporta como se uma partícula física, como um elétron, se dividisse em duas metades que vagueiam e depois se recombinam em algum lugar mais tarde”, disse Nevidomskyy. "E em ímãs de pirocloro como o que estudamos, esses objetos errantes também se comportam como monopolos magnéticos quânticos."

Os monopolos magnéticos podem ser visualizados como polos magnéticos isolados, como o polo voltado para cima ou para baixo de um único elétron.

"É claro que, na física clássica, nunca se pode isolar apenas uma extremidade de um ímã de barra", disse ele. "Os monopolos norte e sul sempre vêm em pares. Mas na física quântica, os monopolos magnéticos podem existir hipoteticamente, e os teóricos quânticos os construíram há quase 100 anos para explorar questões fundamentais sobre a mecânica quântica.

"Até onde sabemos, os monopolos magnéticos não existem de forma bruta em nosso universo", disse Nevidomskyy. "Mas acontece que uma versão extravagante de monopolos existe nesses líquidos de spin quântico de pirocloro de cério. Um único giro cria duas quasipartículas fracionadas chamadas spinons que se comportam como monopolos e vagam pela rede cristalina."

O estudo também encontrou evidências de que spinons semelhantes a monopolos foram criados de maneira incomum em pirocloro de cério e zircônio. Devido ao arranjo tetraédrico de átomos magnéticos no pirocloro, o estudo sugere que eles desenvolvem momentos magnéticos octopolares – quasipartículas magnéticas do tipo spin com oito polos – em baixas temperaturas. A pesquisa mostrou que os spinons no material foram produzidos a partir dessas fontes octopolares e momentos de spin dipolares mais convencionais.

"Nossa modelagem estabeleceu as proporções exatas de interações desses dois componentes entre si", disse Nevidomskyy. "Isso abre um novo capítulo na compreensão teórica não apenas dos materiais de pirocloro de cério, mas também dos líquidos de spin quântico octupolar em geral." + Explorar mais

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