Da mesma forma que o pontilhismo de George Seurat ("Uma tarde de domingo na ilha de La Grande Jatte", à direita), no pontilhismo quântico imagens complexas são criadas a partir de pontos coloridos (esquerda). A partir dessas imagens, os pesquisadores podem tirar conclusões sobre os processos do sistema quântico por meio de cálculos teóricos. Crédito:Esquerda:Prichard et al., 2024; À direita:Keystone-SDA) Ao analisar imagens feitas de pontos coloridos criados por simuladores quânticos, os pesquisadores da ETH estudaram um tipo especial de magnetismo. No futuro, este método também poderá ser usado para resolver outros enigmas da física, por exemplo, na supercondutividade.
De perto parecem muitos pontos coloridos, mas de longe vê-se uma imagem complexa e rica em detalhes:Usando a técnica do pontilhismo, em 1886 George Seurat criou a obra-prima "Uma tarde de domingo na ilha de La Grande Jatte". De forma semelhante, Eugene Demler e seus colegas da ETH Zurich estudam sistemas quânticos complexos feitos de muitas partículas em interação. No caso deles, os pontos não são criados esfregando um pincel, mas sim tornando átomos individuais visíveis no laboratório.
Juntamente com colegas de Harvard e Princeton, o grupo de Demler utilizou agora o novo método – que chamam de “pontilhismo quântico” – para examinar mais de perto um tipo especial de magnetismo.
Os pesquisadores acabam de publicar seus resultados em dois artigos na revista Nature com os títulos "Observação de polarons de Nagaoka em um simulador quântico Fermi-Hubbard" e "Imagem direta de polarons de spin em um sistema Hubbard cineticamente frustrado."
Mudança de paradigma na compreensão
“Esses estudos representam uma mudança de paradigma na nossa compreensão desses fenômenos quânticos magnéticos. Até agora, não fomos capazes de estudá-los em detalhes”, diz Demler. Tudo começou há cerca de dois anos na ETH. O grupo de Ataç Imamoğlu investigou experimentalmente materiais especiais com rede cristalina triangular (materiais moiré feitos de dichalcogenetos de metais de transição).
Quando Demler e seu pós-doutorado Ivan Morera analisaram os dados de Imamoğlu, encontraram uma peculiaridade que sugeria um tipo de magnetismo que anteriormente só havia sido previsto teoricamente.
No magnetismo cinético, um elétron extra emparelhado para formar um dobrão pode levar à ordem ferromagnética dos spins em sua vizinhança (direita), enquanto um elétron ou buraco ausente causa uma ordem antiferromagnética (esquerda). Crédito:Morera, I. et al. Magnetismo cinético de alta temperatura em redes triangulares. Física. Rev. 5, L022048 2023)
“Nesse magnetismo cinético, alguns elétrons movendo-se dentro da rede cristalina podem magnetizar o material”, explica Morera.
Na experiência de Imamoğlu, este efeito, conhecido como mecanismo de Nagaoka entre os especialistas, pôde ser detectado pela primeira vez num sólido medindo, entre outras coisas, a susceptibilidade magnética – isto é, a intensidade com que o material reage a um campo magnético externo.
"Essa detecção foi baseada em evidências muito fortes. Para uma prova direta, no entanto, seria necessário medir o estado dos elétrons - sua posição e direção de rotação - simultaneamente em vários lugares dentro do material", diz Demler.
Processos complexos tornados visíveis
Num sólido, contudo, isto não é possível com métodos convencionais. No máximo, os pesquisadores podem usar a difração de raios X ou de nêutrons para descobrir como os spins dos elétrons se relacionam entre si em duas posições – a chamada correlação de spin. As correlações entre arranjos complexos de spin e elétrons adicionais ou ausentes não podem ser medidas desta forma.
Para ainda tornar visíveis os processos complexos do mecanismo de Nagaoka, que Demler e Morera calcularam usando um modelo, eles recorreram a colegas de Harvard e Princeton. Lá, equipes de pesquisa lideradas por Markus Greiner e Waseem Bakr desenvolveram simuladores quânticos que podem ser usados para recriar com precisão as condições dentro de um sólido.
Em vez de elétrons se movendo dentro de uma rede feita de átomos, nesses simuladores os pesquisadores dos EUA usam átomos extremamente frios presos dentro de uma rede óptica feita de feixes de luz. As equações matemáticas que descrevem os elétrons dentro do sólido e os átomos dentro da rede óptica, entretanto, são quase idênticas.
Polarons de Nagaoka em um simulador quântico de Fermi-Hubbard. Crédito:Natureza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07272-9
Instantâneos coloridos do sistema quântico
Usando um microscópio de forte ampliação, os grupos de Greiner e Bakr foram capazes não apenas de resolver as posições dos átomos individuais, mas também as direções de spin. Eles traduziram as informações obtidas desses instantâneos do sistema quântico em gráficos coloridos que poderiam ser comparados às imagens teóricas pontilhistas.
Demler e seus colegas calcularam teoricamente, por exemplo, como um único elétron extra no mecanismo de Nagaoka forma um par com outro elétron de spin oposto e então se move através da rede triangular do material como um dobrão.
De acordo com a previsão de Demler e Morera, esse doublon deveria estar rodeado por uma nuvem de elétrons cujas direções de spin são paralelas, ou ferromagnéticas. Essa nuvem também é conhecida como polaron magnético.
Foi exatamente isso que os pesquisadores americanos viram em seus experimentos. Além disso, se faltasse um átomo na rede óptica do cristal do simulador quântico - o que corresponde a um elétron ou "buraco" ausente no cristal real - então a nuvem que se formava em torno desse buraco consistia em pares de átomos cujos spins apontavam em direções opostas. direções, exatamente como Demler e Morera haviam previsto.
Esta ordem antiferromagnética (ou, mais precisamente:correlações antiferromagnéticas) também já havia sido detectada indiretamente em um experimento de estado sólido na Universidade Cornell, nos EUA. No simulador quântico, ela agora se tornou diretamente visível.
"Pela primeira vez, resolvemos um quebra-cabeça de física usando experimentos tanto no sólido 'real' quanto no simulador quântico. Nosso trabalho teórico é a cola que mantém tudo unido", diz Demler. Ele está confiante de que no futuro seu método também será útil para resolver outros problemas complicados.
Por exemplo, o mecanismo que causa a formação da nuvem polaron magnética também pode desempenhar um papel importante em supercondutores de alta temperatura.
