Na física da matéria condensada, algum comportamento incomum ocorre apenas quando muitas partículas quânticas interagem como um grupo. Um único spin quântico se comporta de maneira relativamente simples por si só, mas quando os spins influenciam uns aos outros através de um material, podem surgir efeitos inteiramente novos. Explicar como surge essa interação coletiva é um desafio central na física moderna.
Um dos fenômenos conjuntos mais importantes é o efeito Kondo. Ele descreve como os spins quânticos locais interagem com os elétrons móveis em um material e desempenha um papel importante na formação do comportamento de muitos sistemas quânticos.
Por que o efeito Kondo é tão difícil de estudar?
Em materiais reais, não é fácil isolar a física básica do efeito Kondo. Os elétrons não carregam apenas spin. Eles também se movem através do material e ocupam orbitais diferentes, introduzindo movimento de carga e graus de liberdade adicionais. Quando todos esses efeitos ocorrem ao mesmo tempo, torna-se difícil separar as interações de spin que impulsionam o efeito Kondo de tudo o mais que acontece no sistema.
Para lidar com esta complexidade, os físicos há muito confiam em modelos teóricos simplificados. Um dos mais influentes é o modelo do colar Kondo, introduzido por Sebastian Doniach em 1977. Este modelo remove os efeitos do movimento dos elétrons e dos orbitais, deixando para trás um sistema composto inteiramente de spins interativos. Embora tenha sido amplamente visto como uma estrutura poderosa para explorar novos estados quânticos, realizá-lo experimentalmente tem sido um desafio aberto há quase cinquenta anos.
O tamanho do spin altera o comportamento quântico?
Uma questão fundamental persiste há décadas. O efeito Kondo se comporta da mesma forma para todos os tamanhos de spin ou a alteração do tamanho de spin local altera os resultados? Responder a esta pergunta é importante para uma compreensão mais abrangente dos materiais quânticos.
Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Hironori Yamaguchi, da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade Metropolitana de Osaka, forneceu agora uma resposta. A equipe desenvolveu um novo tipo de colar Kondo usando um material híbrido orgânico inorgânico cuidadosamente projetado, feito de radicais orgânicos e íons de níquel. Este design preciso foi alcançado usando RaX-D, uma estrutura de design molecular que permite um controle preciso sobre a estrutura cristalina e as interações magnéticas.
Gire uma metade para girar um
Os pesquisadores já haviam conseguido criar um colar Kondo spin-1/2. Em seu trabalho mais recente, eles ampliaram o sistema aumentando o spin localizado (spin desacoplado) de 1/2 para 1. Medições termodinâmicas revelaram uma transição de fase clara, mostrando que o sistema entrou em um estado direcionado magneticamente.
A análise quântica detalhada explicou a origem dessa mudança. O acoplamento Kondo cria uma interação magnética eficaz entre os momentos de spin-1, que estabiliza a ordem magnética de longo alcance em todo o material.
Desafiando a visão de longa data do magnetismo
Por muitos anos, pensou-se que o efeito Kondo suprimia o magnetismo principalmente ao travar os spins em singletes, um estado perturbado ao máximo com spin total zero. Os novos resultados derrubam esse quadro tradicional. Quando o spin local excede 1/2, a mesma interação Kondo não enfraquece mais o magnetismo. Em vez disso, promove ativamente a ordem magnética.
Ao comparar diretamente os sistemas spin-1/2 e spin-1 dentro de uma plataforma limpa somente de spin, os pesquisadores identificaram um limite quântico claro. O efeito Kondo sempre forma unidades locais para momentos de spin 1/2, mas fixa a ordem magnética para spin 1 e superiores.
Este trabalho fornece a primeira evidência experimental direta de que o papel do efeito Kondo depende em grande parte do tamanho do spin.
Implicações para materiais e tecnologia quântica
“A descoberta de um princípio quântico que depende do tamanho do spin no efeito Kondo abre um novo campo de pesquisa em materiais quânticos”, disse Yamaguchi. “A capacidade de alternar estados quânticos entre regimes não magnéticos e magnéticos, controlando o tamanho do spin, representa uma estratégia de design poderosa para materiais quânticos de próxima geração.”
Mostrar que o efeito Kondo pode funcionar de maneiras opostas dependendo do tamanho do spin oferece uma nova perspectiva sobre a matéria quântica e estabelece uma nova base conceitual para o projeto de dispositivos quânticos baseados em spin.
Ser capaz de controlar se a rede Kondo é magnética ou não magnética é particularmente importante para futuras tecnologias quânticas. Esse controle pode afetar propriedades importantes, como emaranhamento, ruído magnético e comportamento crítico quântico. Os investigadores esperam que as suas descobertas orientem o desenvolvimento de novos materiais quânticos e, eventualmente, contribuam para tecnologias emergentes, incluindo dispositivos de informação quântica e computação quântica.
