Uma equipe de pesquisa global liderada pelo físico Pengchen Dai, da Rice University, confirmou a presença de fótons emergentes e excitações de spin fracionadas em um líquido de spin quântico incomum. Informado v Física da naturezatrabalho indica o óxido cristalino de cério e zircônio (Ce2Zr2O7) como um exemplo tridimensional puro deste estado exótico da matéria.
Os fluidos de spin quânticos fascinam os físicos há anos porque poderiam eventualmente apoiar tecnologias transformadoras, incluindo a computação quântica e a transferência de energia sem dissipação. Ao contrário dos ímãs comuns, que se organizam em ordem, esses materiais evitam a ordem magnética usual. Em vez disso, seus momentos magnéticos permanecem fortemente emaranhados quânticos e estão em constante movimento coletivo em temperaturas próximas do zero absoluto, produzindo um comportamento que lembra a eletrodinâmica quântica emergente.
“Respondemos a uma importante questão em aberto ao detectar directamente estas excitações,” disse Dye, professor de Física e Astronomia Sam e Helen Worden. “Isso confirma que Ce2Zr2O7 se comporta como verdadeiro gelo de spin quântico, uma classe especial de fluidos de spin quântico em três dimensões.”
Medições mais limpas com espalhamento de nêutrons polarizados
Para identificar esses sinais indescritíveis, os pesquisadores confiaram no espalhamento polarizado avançado de nêutrons. Essa abordagem os ajudou a isolar o espalhamento magnético no qual estavam interessados enquanto filtravam outros sinais, mesmo quando o sistema se aproximava do limite de temperatura zero.
Suas medições também revelaram o aparecimento de sinais de fótons de energia quase zero – uma característica definidora que separa o gelo de spin quântico das fases mais familiares encontradas em ímãs comuns. Outras evidências vieram de medições de calor específicas, que apoiam a ideia de que estes fotões emergentes previstos correspondem a uma dispersão semelhante à forma como o som viaja através de um sólido.
Tentativas anteriores de confirmar este comportamento foram muitas vezes frustradas por ruído técnico e dados incompletos. A equipe liderada por Rice enfrentou esses desafios melhorando a preparação de amostras e a instrumentação de alta precisão, apoiada por um esforço internacional envolvendo grandes laboratórios na Europa e na América do Norte.
Uma observação inédita com consequências de longo alcance
Neste material candidato tridimensional, os pesquisadores observaram fótons e spinons emergentes – as principais assinaturas do gelo de spin quântico. O resultado resolve um debate de longa data na física da matéria condensada e fornece aos cientistas uma plataforma poderosa para explorar fenômenos quânticos de próxima geração e caminhos potenciais para o desenvolvimento tecnológico.
Bin Gao, pesquisador associado do Departamento de Física e Astronomia de Rice e primeiro autor do estudo, disse que os resultados confirmam décadas de expectativas teóricas.
“Este resultado surpreendente incentiva os cientistas a estudarem esses materiais únicos mais profundamente, potencialmente mudando a forma como entendemos os ímãs e o comportamento dos materiais no regime quântico extremo”, disse Gao.
Equipe de pesquisa e financiamento
Os co-autores do estudo incluem Felix Desrochers e Yong Baek Kim, da Universidade de Toronto; O ex-aluno do Rice, David Tam, do Instituto Paul Scherer; Silke Paschen, Diana Kirschbaum e Duy Ha Nguyen da Universidade de Tecnologia de Viena; Paul Steffens e Arno Hiss, do Instituto Laue-Langevin; Yixi Su do Centro Jülich do Centro Heinz Meier-Leibnitz; e Sang-Wook Chong da Universidade Rutgers.
O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Gordon e Betty Moore e a Fundação Robert A. Welch apoiaram esta pesquisa.
