Descoberta de cristal líquido magnético:primeira observação direta de momentos de spin quadrupolo em uma fase spin-nemática
Gire meio momento em uma rede quadrada. Além da ordem antiferromagnética clássica (AF clássica), os momentos de spin podem ter vários estados magnéticos fundamentais, como superposição de configurações de spin-singuleto (ligação de valência ressonante; RVB) ou antiferromagneto com grandes flutuações quânticas (AF quântica). Em óxido de irídio Sr2 IrO4 , momentos de spin quadrupolo coexistem com uma ordem antiferromagneta inclinada. Crédito:Instituto de Ciências Básicas O cristal líquido é um estado da matéria que exibe propriedades tanto de líquido quanto de sólido. Ele pode fluir como um líquido, enquanto suas moléculas constituintes estão alinhadas como em um sólido. O cristal líquido é amplamente utilizado hoje em dia, por exemplo, como elemento central de dispositivos LCD.
O análogo magnético deste tipo de material é apelidado de “fase spin-nemática”, onde os momentos de spin desempenham o papel das moléculas. No entanto, ainda não foi observado diretamente, apesar da sua previsão há meio século. O principal desafio decorre do fato de que a maioria das técnicas experimentais convencionais são insensíveis aos quadrupolos de spin, que são as características definidoras desta fase spin-nemática.
Mas agora, pela primeira vez no mundo, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Kim Bumjoon, do Centro IBS para Sistemas Eletrônicos Artificiais de Baixa Dimensão, na Coreia do Sul, conseguiu observar diretamente quadrupolos de spin. Este trabalho foi possível graças a conquistas notáveis nas últimas décadas no desenvolvimento de instalações síncrotron.
Os pesquisadores do IBS concentraram seu estudo no óxido de irídio de rede quadrada Sr2 IrO4 , um material previamente reconhecido por sua ordem dipolar antiferromagnética em baixas temperaturas. Este estudo descobriu recentemente a coexistência de uma ordem quadrupolar de spin, que se torna observável através de sua interferência com a ordem magnética. Este sinal de interferência foi detectado por 'difração ressonante de raios X circular-dicróica', uma técnica avançada de raios X que emprega um feixe de raios X circularmente polarizado. Interferência dipolo-quadrupolo na difração ressonante circular de raios X dicróica. (a) Os momentos de spin quadrupolo são formados a uma temperatura mais alta (263 K) do que os momentos magnéticos (230 K). (b, c) Em baixas temperaturas, a interferência entre o quadrupolo de spin e os momentos magnéticos é manifestada pela difração ressonante circular de raios X dicróica, uma diferença de sinal magnético entre feixes de raios X destros e canhotos. Crédito:Instituto de Ciências Básicas A verificação adicional desta descoberta veio através do 'espalhamento inelástico ressonante de raios X resolvido pela polarização', onde as excitações magnéticas revelaram desviar-se significativamente dos comportamentos previstos para aqueles em ímãs convencionais.
Para completar estas experiências, os investigadores da Coreia do Sul colaboraram com o Laboratório Nacional de Argonne, nos EUA, para construir uma linha de luz ressonante e inelástica de dispersão de raios X no Laboratório do Acelerador de Pohang nos últimos quatro anos.
Por último, mas não menos importante, os pesquisadores usaram uma série de técnicas ópticas, incluindo espectroscopia Raman e medição do efeito magneto-óptico Kerr, para mostrar que a formação dos momentos de spin quadrupolo ocorre em temperaturas mais altas do que a ordem magnética. Dentro desta faixa de temperatura, o óxido de irídio possui apenas momentos de spin quadrupolo, mas nenhuma ordem magnética, realizando uma fase spin-nemática.
Em conjunto, esta é a primeira observação direta dos momentos de spin quadrupolo em uma fase spin-nemática. (a, b) Desenho (a) e fotografia (b) do espectrômetro de espalhamento inelástico ressonante de raios X instalado na linha de luz 1C do PLS-II. Crédito:Instituto de Ciências Básicas “Esta pesquisa foi viável porque a infraestrutura e as capacidades dos experimentos de raios X na Coreia do Sul atingiram um nível competitivo global”, disse o Prof. Kim Bumjoon, autor correspondente deste estudo.
“A descoberta da fase spin-nemática também tem implicações significativas para a computação quântica e as tecnologias de informação”, acrescenta o Prof. Cho Gil Young, co-autor deste estudo e professor da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang.
Outro aspecto interessante da fase spin-nemática é o seu potencial para supercondutividade em alta temperatura. Na fase spin-nemática, os spins são altamente emaranhados, o que foi sugerido pelo físico P. W. Anderson como um ingrediente crítico para a supercondutividade em alta temperatura.
Além disso, dado que o óxido de irídio Sr2 IrO4 tem sido extensivamente estudado devido às suas impressionantes semelhanças com o sistema supercondutor de alta temperatura de óxido de cobre, o que alimenta um interesse crescente neste material como um sistema supercondutor de alta temperatura potencialmente novo, bem como sua relação com a fase spin-nemática.
As descobertas são publicadas na revista Nature .
Mais informações: BJ Kim, Fase nemática de spin quântico em um iridato de rede quadrada, Natureza (2023). DOI:10.1038/s41586-023-06829-4. www.nature.com/articles/s41586-023-06829-4 Informações do diário: Natureza
