Cientistas revelam comportamento misterioso e único em um material magnético quântico
SrCu2 (BO3 )2 e o espectro de excitação magnética sob condensação induzida por campo. Crédito:Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z No misterioso mundo dos materiais quânticos, as coisas nem sempre se comportam como esperamos. Estes materiais têm propriedades únicas regidas pelas regras da mecânica quântica, o que muitas vezes significa que podem realizar tarefas de uma forma que os materiais tradicionais não conseguem – como conduzir eletricidade sem perdas – ou ter propriedades magnéticas que podem ser úteis em tecnologias avançadas.
Alguns materiais quânticos apresentam minúsculas ondas magnéticas chamadas magnons que passam por eles, que se comportam de maneira intrigante. Compreender os magnons nos ajuda a desvendar os segredos de como os ímãs funcionam em nível microscópico, o que é crucial para a próxima geração de eletrônicos e computadores.
Os cientistas têm estudado como estes magnões agem sob fortes campos magnéticos e pensavam que sabiam o que esperar – até agora. Em um novo estudo da Nature Communications , pesquisadores liderados por Henrik Rønnow e Frédéric Mila da EPFL revelaram um comportamento novo e inesperado no material quântico borato de cobre e estrôncio, SrCu2 (BO3 )2 . O estudo desafia a nossa compreensão atual da física quântica, mas também sugere possibilidades interessantes para tecnologias futuras.
O único jogo da cidade
Mas por que esse material? As especificações são bastante técnicas, mas SrCu2 (BO3 )2 é importante no campo dos materiais quânticos porque é o único exemplo conhecido do mundo real do "modelo Shastry-Sutherland", uma estrutura teórica para a compreensão de estruturas onde o arranjo e as interações dos átomos os impedem de se estabelecerem em um estado simples e ordenado. .
Essas estruturas são conhecidas como "redes altamente frustradas" e geralmente conferem ao material quântico comportamentos e propriedades incomuns e complexos. Portanto, a estrutura única de SrCu2 (BO3 )2 o torna um candidato ideal para estudar transições e fenômenos quânticos complexos. O espectrômetro magnético e de nêutrons de 25,9 Tesla no centro de pesquisa do Helmholtz-Zentrum Berlin. Crédito:Ellen Fogh (EPFL) Espalhamento de nêutrons e campos magnéticos massivos
Para estudar os magnons em SrCu2 (BO3 )2 , os cientistas usaram uma técnica chamada espalhamento de nêutrons. Essencialmente, eles dispararam nêutrons contra o material e mediram suas deflexões. O espalhamento de nêutrons é particularmente eficaz no estudo de materiais magnéticos, uma vez que os nêutrons, com carga neutra, podem decifrar o magnetismo sem serem perturbados pela carga dos elétrons e núcleos do material.
Este trabalho foi realizado na instalação de espalhamento de nêutrons de alto campo em Helmholtz-Zentrum Berlin, que era capaz de sondar campos de até 25,9 Tesla, tornando este um nível sem precedentes de estudo de campo magnético, que permitiu aos cientistas observar o comportamento dos magnons. diretamente.
Eles então combinaram os dados com cálculos de "estados de produtos de matriz cilíndrica", um método computacional poderoso que ajudou a confirmar as observações experimentais do espalhamento de nêutrons e a compreender os comportamentos quânticos bidimensionais do material.
São precisos dois para dançar o tango
A abordagem única revelou algo surpreendente:em vez de se comportarem como unidades únicas e independentes - como esperado - os magnons do material estavam formando pares, formando "estados vinculados" - como formar pares para dançar em vez de seguirem sozinhos.
Este emparelhamento incomum leva a um estado quântico novo e inesperado que tem implicações nas propriedades do material:a “fase spin-nemática”. Pense nisso como ímãs em uma geladeira:normalmente apontam para o norte ou para o sul (esse é o giro), mas esta nova fase não se trata da direção para a qual apontam, mas sim de como se alinham, criando um padrão único.
Esta descoberta revela um comportamento nunca antes visto em materiais magnéticos. Esta descoberta de uma regra oculta na física quântica pode nos levar a novas maneiras de usar materiais magnéticos para tecnologias quânticas nas quais ainda nem sequer pensamos.
Mais informações: Ellen Fogh et al, Condensação de estado ligado induzida por campo e fase spin-nemática em SrCu2 (BO3 )2 revelado pelo espalhamento de nêutrons de até 25,9 T, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-023-44115-z Fornecido pela École Polytechnique Federale de Lausanne
