Líquidos de Spin Quântico e Suas Promessas Tecnológicas

Os líquidos de spin quântico têm fascinado os físicos há anos, pois podem eventualmente suportar tecnologias transformadoras, incluindo computação quântica e transmissão de energia sem dissipação. Ao contrário dos ímãs comuns que se estabelecem em um padrão ordenado, esses materiais evitam a ordem magnética convencional. Em vez disso, seus momentos magnéticos permanecem fortemente entrelaçados quânticamente e em constante movimento coletivo a temperaturas próximas ao zero absoluto, produzindo um comportamento que se assemelha à eletrodinâmica quântica emergente.

“Respondemos a uma grande questão em aberto ao detectar diretamente essas excitações,” disse Dai, professor Sam e Helen Worden de Física e Astronomia. “Isso confirma que Ce2Zr2O₇ se comporta como um verdadeiro gelo quântico de spin, uma classe especial de líquidos de spin quântico em três dimensões.”

Medidas Mais Precisas Com Espalhamento Neutrônico Polarizado

Para identificar essas assinaturas elusivas, os pesquisadores contaram com o avançado espalhamento neutônico polarizado. Essa abordagem os ajudou a isolar a dispersão magnética de interesse, filtrando outros sinais, mesmo quando o sistema se aproximava do limite de temperatura zero.

Seus dados também revelaram sinais de fótons emergentes próximos à energia zero – uma característica definidora que separa o gelo quântico de spin de outras fases mais familiares encontradas em ímãs convencionais. Evidências adicionais vieram de medições de calor específico, que apoiaram a ideia de que esses fótons emergentes previstos seguem uma dispersão semelhante ao modo como o som se move através de um sólido.

Tentativas anteriores de confirmar esse tipo de comportamento frequentemente eram prejudicadas por ruídos técnicos e dados incompletos. A equipe liderada pela Rice enfrentou esses desafios por meio de uma preparação de amostras aprimorada e instrumentos de alta precisão, apoiados por um esforço internacional envolvendo grandes laboratórios na Europa e América do Norte.

Observação Inédita Com Implicações Significativas

Neste material candidato tridimensional, os pesquisadores observaram tanto fótons emergentes quanto spinons – marcas distintivas do gelo quântico de spin. O resultado resolve um longo debate na física da matéria condensada e fornece aos cientistas uma plataforma sólida para estudar fenômenos quânticos de próxima geração e potenciais caminhos tecnológicos.

Bin Gao, cientista pesquisador no Departamento de Física e Astronomia da Rice e primeiro autor do estudo, afirmou que as descobertas corroboram décadas de expectativas teóricas.

“Este resultado surpreendente incentiva os cientistas a investigar mais profundamente materiais tão únicos, potencialmente mudando a nossa compreensão sobre ímãs e o comportamento de materiais no regime quântico extremo,” disse Gao.

Equipe de Pesquisa e Financiamento

Os coautores deste estudo incluem Félix Desrochers e Yong Baek Kim da Universidade de Toronto; o antigo aluno da Rice, David Tam do Paul Scherrer Institut; Silke Paschen, Diana Kirschbaum e Duy Ha Nguyen da Universidade de Tecnologia de Viena; Paul Steffens e Arno Hiess do Institut Laue-Langevin; Yixi Su do Centro de Jülich do Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; e Sang-Wook Cheong da Universidade Rutgers.

O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Gordon e Betty Moore e a Fundação Robert A. Welch apoiaram este estudo.