Os materiais magnéticos que se acredita hospedarem um líquido de spin quântico geraram grande interesse devido ao seu potencial para revelar os estados externos da matéria e avançar na computação quântica. No entanto, a presença no mundo quântico pode ser confusa. Um novo estudo foi publicado A ciência avança e co-liderado por Pengcheng Dai da Rice University mostrou que o hexaaluminato de cério e magnésio (CeMgAl11E19), que antes se pensava pertencer a esta categoria rara, na verdade não é um líquido de spin quântico.
“O material foi classificado como líquido de spin quântico devido a duas propriedades: observação da continuidade do estado e falta de ordem magnética”, disse Bin Gao, co-autor e cientista pesquisador da Rice. “Mas uma análise mais detalhada do material mostrou que a causa subjacente dessas observações não era uma fase líquida de spin quântico.”
Como os estados magnéticos normalmente se comportam
Em materiais isolantes como CeMgAl11E19Íons magnéticos como o cério podem adotar um de dois modos: ferromagnético ou antiferromagnético. Num estado ferromagnético, os íons estão alinhados na mesma direção, cada um dos quais incentiva seus vizinhos a fazerem o mesmo. Num estado antiferromagnético, os íons vizinhos apontam em direções opostas, criando um tipo diferente de padrão ordenado.
Os cientistas podem observar esses sistemas resfriando materiais a temperaturas próximas do zero absoluto. Sob estas condições, os materiais convencionais assentam num estado único e estável de baixa energia. Como todos os íons estão alinhados no mesmo padrão, os pesquisadores geralmente veem apenas uma configuração.
O que torna os líquidos de spin quântico diferentes?
Os fluidos de spin quânticos se comportam de maneira muito diferente. Em vez de se estabelecerem em um estado estacionário, eles passam constantemente por uma série de estados de energia mais baixos por meio de efeitos quânticos. Isto leva a uma propagação ou continuum de estados observáveis, em vez de um único estado. Isto também resulta numa falta de ordem magnética, uma vez que ambas as tendências ferromagnéticas e antiferromagnéticas podem estar presentes ao mesmo tempo.
CeMgAl11E19 Esses dois recursos principais são mostrados. Faltava uma ordem magnética clara e exibia um continuum de estados, o que inicialmente indicava um líquido de spin quântico. No entanto, um olhar mais atento revela uma interpretação diferente. O continuum observado não vem do comportamento quântico, mas da degeneração de estados causada por interações ferromagnéticas e antiferromagnéticas concorrentes.
“Estávamos interessados neste material, que tinha uma coleção de propriedades que não tínhamos visto antes”, disse o co-autor e cientista pesquisador de Rice, Tong Chen. “Não era um líquido de spin quântico, mas estávamos observando o que pensávamos ser um comportamento relacionado ao líquido de spin quântico.”
Uma competição magnética sutil
Para descobrir o que realmente estava acontecendo, a equipe usou a dispersão de nêutrons junto com outras medições precisas. Eles descobriram que a fronteira entre o comportamento ferromagnético e antiferromagnético neste material é incomumente fraca. Isso permite que os íons magnéticos se movam mais livremente entre os dois estados, em vez de ficarem presos em um único padrão.
Como resultado, alguns íons se comportam ferromagneticamente, enquanto outros se comportam antiferromagneticamente dentro da mesma estrutura. Este arranjo misto evita que o sistema forme um único estado ordenado e, em vez disso, produz muitas configurações possíveis de baixa energia. Quando resfriado até próximo do zero absoluto, o material pode se estabelecer em qualquer uma dessas configurações, produzindo uma gama de estados observados que se assemelham ao contínuo visto nos fluidos de spin quânticos. No entanto, ao contrário de um verdadeiro fluido de spin quântico, uma vez que a matéria se estabelece num estado, ela permanece lá e não faz transição entre estados.
“A capacidade única do material de ‘escolher’ entre diferentes estados de baixa energia produziu dados observacionais semelhantes ao estado líquido de spin quântico”, disse Dye, autor correspondente do estudo. “Este é um novo estado da matéria que, até onde sabemos, somos os primeiros a descrever.”
Um lembrete da complexidade quântica
A descoberta destaca o quão complexos e surpreendentes os sistemas magnéticos podem ser. Mesmo quando um material corresponde à assinatura esperada de um estado quântico, a física subjacente pode contar uma história diferente.
Este material único, acrescentou Dye, é um bom lembrete de quanto não sabemos sobre o campo quântico. “Isso ressalta a importância do monitoramento cuidadoso e da investigação completa de seus dados.”
Financiamento e apoio à investigação
O trabalho de espalhamento de nêutrons e suscetibilidade magnética AC em Rice foi apoiado pela Bolsa de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0012311, DE-SC0026179). O trabalho de crescimento de cristal único realizado por Robert A. foi apoiado pela Fundação Welch (C-1839). O crescimento de cristais de BG, XX e SWC na Rutgers University foi apoiado pela iniciativa EPiQS (GBMF6402) da Fundação Gordon e Betty Moore e pelo Programa de Visitantes do Center for Quantum Materials Synthesis financiado pela Rutgers. O trabalho teórico realizado por CL e LB foi apoiado pelo DOE, Office of Science, BES (DE-FG02-08ER46524) e pela Simmons Collaboration on Ultra-Quantum Matter. Os pesquisadores receberam apoio pessoal do Programa Fenômenos Emergentes de Sistemas Quânticos da Fundação Gordon e Betty Moore; Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (12204160); Fundação Nacional de Pesquisa da Coreia, Ministério da Ciência e TIC (2022M3H4A1A04074153); e a Fundação Welch (AA-2056-20240404). O experimento de espalhamento de nêutrons no MLF do J-PARC foi realizado sob a proposta nº 2022B0242. Esta pesquisa utilizou recursos da Spallation Neutron Source, uma instalação de usuário do DOE Office of Science operada pelo Oak Ridge National Laboratory.
