Uma equipe de pesquisa global liderada pelo físico da Rice University, Pengcheng Dai, verificou a presença de fótons emergentes e excitações de spin fracionadas em um líquido quântico de spin incomum. Relatado na Nature Physics, o trabalho aponta para o cristal óxido de zirconium de cério (Ce2Zr2O7) como um exemplo limpo e tridimensional desse estado exótico da matéria.
Os líquidos quânticos de spin têm fascinado físicos por anos porque podem eventualmente sustentar tecnologias transformadoras, incluindo computação quântica e transmissão de energia sem dissipação. Ao contrário de ímãs comuns que se estabelecem em um padrão ordenado, esses materiais evitam a ordem magnética convencional. Em vez disso, seus momentos magnéticos permanecem fortemente emaranhados 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 quânticos de spin em três dimensões.”
Medidas Mais Precisadas Com Espalhamento de Nêutrons Polarizados
Para identificar essas assinaturas elusivas, os pesquisadores confiaram no avançado espalhamento de nêutrons polarizados. Essa abordagem os ajudou a isolar a dispersão magnética que lhes interessava, filtrando outros sinais, mesmo enquanto o sistema se aproximava do limite de temperatura zero.
As medições deles também revelaram sinais de fótons emergentes próximos à energia zero – uma característica definidora que separa o gelo quântico de spin de 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.
As tentativas anteriores de confirmar esse tipo de comportamento muitas vezes foram prejudicadas por ruídos técnicos e dados incompletos. A equipe liderada por Rice abordou esses desafios por meio de uma preparação de amostra aprimorada e instrumentos de alta precisão, apoiados por um esforço internacional envolvendo importantes laboratórios na Europa e América do Norte.
Observação Inédita Com Grandes Implicações
Neste material candidato tridimensional, os pesquisadores observaram tanto fótons emergentes quanto spinons – marcos essenciais do gelo quântico de spin. O resultado resolve um longo debate na física da matéria condensada e oferece aos cientistas uma base sólida para estudar fenómenos 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.
“Esse resultado surpreendente incentiva os cientistas a explorarem mais a fundo tais materiais únicos, potencialmente mudando a forma como entendemos ímãs e o comportamento de materiais no regime quântico extremo”, disse Gao.
Equipe de Pesquisa e Financiamento
Os co-autores deste estudo incluem Félix Desrochers e Yong Baek Kim da Universidade de Toronto; o ex-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 Jülich Centre do Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; e Sang-Wook Cheong da Rutgers University.
O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Gordon e Betty Moore e a Fundação Robert A. Welch apoiaram este estudo.
