No laboratório do cientista de materiais da UC Santa Bárbara, Stephen Wilson, os pesquisadores estão explorando a física por trás de estados incomuns da matéria, projetando materiais que podem suportar propriedades úteis para futuras tecnologias quânticas.
Num estudo publicado em Materiais da naturezaA equipe de Wilson descreve uma nova maneira de usar um fenômeno conhecido como desordem de longo alcance em um material para criar estados magnéticos não convencionais. Esses estados podem eventualmente ser relevantes para a tecnologia quântica. Wilson enfatizou que o trabalho está focado na ciência fundamental e não na aplicação direta. “Esta é uma ciência básica que visa resolver uma questão fundamental. Ela foi projetada para explorar o que a física pode ser possível para dispositivos futuros.”
Seu estudo, intitulado “Frustração de ligações interestelares em antiferromagnetos de rede triangular”, explora como diferentes formas de frustração podem ocorrer nesses sistemas. Um tipo importante é a frustração geométrica. Isso ocorre quando os momentos magnéticos no material não conseguem se organizar em um padrão único e estável e, em vez disso, permanecem em uma configuração oscilante.
Pequenos ímãs atômicos e geometria frustrada
Wilson explicou o magnetismo com uma analogia simples. “Você pode pensar no magnetismo como sendo derivado das minúsculas barras magnéticas que ficam em locais atômicos na rede cristalina”, disse ele. Esses minúsculos ímãs são chamados de momentos dipolares magnéticos. Dependendo da estrutura do material, eles interagem entre si e se organizam de forma a minimizar sua energia ou, em outras palavras, atingir seu estado fundamental. O estado fundamental é a configuração de energia mínima possível de um sistema, e na temperatura zero absoluto todo sistema existe neste estado.
Wilson continuou: “Quando esses momentos magnéticos interagem de tal maneira que são direcionados de forma antiparalela entre si, chamamos isso de antiferromagnetismo.” Num arranjo quadrado de átomos, essa interação funciona facilmente. Cada momento magnético pode ser direcionado contra seus vizinhos, criando uma configuração estável.
No entanto, as coisas mudam quando os átomos formam um arranjo triangular. Nesta geometria, torna-se impossível que cada momento magnético aponte em direção oposta a todos os seus vizinhos ao mesmo tempo. Conforme descreveu Wilson, os momentos começam a competir entre si. Na verdade, eles ficam frustrados porque a geometria da rede os impede de alcançar o arranjo de energia mais baixo. O sistema tenta atingir o equilíbrio, mas não consegue fazê-lo completamente devido à estrutura que ocupa.
Frustração de vínculo e compartilhamento de elétrons
Um tipo semelhante de frustração pode ocorrer em outro aspecto dos elétrons. Em vez de magnetismo, pode surgir da carga de um elétron. Quando dois íons próximos tentam compartilhar um elétron através de uma ligação, eles podem formar o que os cientistas chamam de dímero atômico.
Assim como a interação magnética pode ser quebrada em certas estruturas de rede, esses dímeros também podem enfrentar restrições em geometrias como redes triangulares ou redes em favo de mel. O resultado pode ser uma rede de títulos que é frustrada. Tal rede é frequentemente muito sensível à deformação, e a aplicação de deformação pode eliminar parcialmente a frustração do esquema de conexão.
A pesquisa de Wilson concentra-se em uma classe extremamente rara de materiais onde os dois tipos de frustração existem simultaneamente. A frustração magnética e a frustração do vínculo aparecem juntas na mesma estrutura.
Uma combinação de dois sistemas frustrados
Wilson descreveu a descoberta como “emocionante” porque abre uma maneira possível de controlar um sistema frustrado influenciando outro. Nos últimos seis ou sete anos, os cientistas aprenderam como criar estados magnéticos frustrados usando materiais construídos a partir de redes triangulares dos lantanídeos, um grupo de elementos encontrados na linha inferior da tabela periódica.
“Em princípio, esta rede triangular de momentos lantanídeos bem escolhidos pode dar origem a um tipo especial de estado quântico desordenado”, disse Wilson. O objetivo da equipe era desenvolver essa ideia. “Uma coisa que tentamos fazer neste projeto é funcionalizar esse estado exótico incorporando-o em uma rede cristalina, o que apresenta um grau adicional de frustração de ligação.”
Os pesquisadores sabem que o magnetismo quântico desordenado pode assumir diversas formas. Alguns desses estados podem suportar o emaranhamento de spin de longo alcance, um conceito-chave na ciência da informação quântica. Wilson explicou: “Alguns estados podem ter emaranhamento de spin de longo alcance, o que é de interesse no campo da informação quântica. Obter controle sobre esses estados aplicando uma tensão à rede de ligações frustradas seria emocionante.”
Para o controle dos estados quânticos
Quando dois sistemas perturbados existem juntos e ambos são altamente sensíveis a perturbações como tensão ou campos magnéticos, surge uma questão importante. Os cientistas querem saber se os dois sistemas podem influenciar um ao outro. Se uma camada for ordenada sob certas condições, isso também poderá afetar a outra camada.
“É uma forma de dar funcionalidade às coisas ou de reagir a outras coisas às quais elas não reagiriam de outra forma”, explicou Wilson. “Assim, em princípio, é possível projetar grandes reações ferroicas. Você pode aplicar uma pequena deformação que induza ordem magnética, ou pode aplicar uma pequena quantidade de campo magnético e induzir mudanças na estrutura.
“Novamente, em princípio, se você puder encontrar um estado fundamental quântico desordenado que contenha emaranhamento de longo alcance, a questão é se você pode acessar esse emaranhado, por exemplo, conectando-se a outra camada, como uma ligação frustrada.”
Wilson também está interessado em saber se esta abordagem pode levar ao surgimento de múltiplos tipos de ordem. “Essencialmente, você pode ter diferentes tipos de ordem decorrentes da proximidade dessas duas redes desordenadas”, disse ele. “Essa é a ideia principal.”
