Os materiais magnéticos que se acredita conterem um líquido de spin quântico têm atraído muito interesse devido ao seu potencial para revelar estados exóticos da matéria e avançar na computação quântica. No entanto, aparecer no mundo quântico pode ser enganoso. Um novo estudo publicado em Conquistas da ciência e liderado por Pengchen Dai da Rice University mostra que o hexaaluminato de magnésio e cério (CeMgAl11Ó19), que antes se pensava pertencer a esta categoria rara, não é na verdade um líquido de spin quântico.
“O material foi classificado como líquido de spin quântico devido a duas propriedades: a observação de um continuum de estados e a ausência de ordenação magnética”, disse Bin Gao, um dos autores e pesquisador do Rice. “Mas uma análise mais detalhada do material revelou que a fase líquida do spin quântico não foi a principal causa dessas observações.”
Como os estados magnéticos normalmente se comportam
Em materiais isolantes como CeMgAl11Ó19íons magnéticos como o cério podem ter um de dois arranjos: ferromagnético ou antiferromagnético. No estado ferromagnético, os íons se alinham em uma direção, cada um encorajando seus vizinhos a fazerem o mesmo. No estado antiferromagnético, os íons vizinhos são direcionados em direções opostas, criando um tipo diferente de padrão ordenado.
Os cientistas podem observar esses mecanismos resfriando materiais a temperaturas próximas do zero absoluto. Sob essas condições, os materiais comuns entram em um único estado estável de baixa energia. Como todos os íons se alinham no mesmo tipo de arranjo, os pesquisadores geralmente veem apenas uma configuração.
Quais são as diferenças entre líquidos de spin quântico
O fluido de spin quântico se comporta de maneira bem diferente. Em vez de se estabelecerem num único estado fixo, transitam continuamente entre vários estados de baixa energia através de efeitos quânticos. Isso resulta em uma propagação ou continuum de estados observados, em vez de um único. Isto também leva à falta de ordenação magnética, uma vez que ambas as tendências ferromagnéticas e antiferromagnéticas podem aparecer simultaneamente.
CeMgAl11Ó19 mostrou esses dois recursos principais. 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 revelou outra explicação. O continuum observado origina-se da degeneração de estados causada por interações ferromagnéticas e antiferromagnéticas concorrentes, e não do comportamento quântico.
“Estávamos interessados neste material, que tinha um conjunto de características que não tínhamos visto antes”, disse Tong Chen, um dos autores e pesquisador associado da Rice. “Não era um líquido de spin quântico, mas observamos o que pensávamos ser um comportamento associado a um líquido de spin quântico.”
Competição magnética sutil
Para descobrir o que realmente estava acontecendo, a equipe usou o espalhamento 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 circuito.
Como resultado, alguns íons se comportam ferromagneticamente e outros antiferromagneticamente na mesma estrutura. Este arranjo misto evita que o sistema forme um único estado ordenado e, em vez disso, cria 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 série de estados observáveis que se assemelham ao contínuo visto nos fluidos de spin quânticos. No entanto, ao contrário de um verdadeiro fluido de spin quântico, quando um material entra em um estado, ele permanece lá e não faz transição entre estados.
“A capacidade única do material de ‘escolher’ entre diferentes estados de baixa energia produziu dados observacionais muito semelhantes ao estado líquido de spin quântico”, disse Dai, 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 estranhos os sistemas magnéticos podem ser. Mesmo que um material pareça corresponder às assinaturas esperadas de um estado quântico, a física subjacente pode contar uma história diferente.
Este material único, acrescentou Dai, é um bom lembrete de quanto não sabemos sobre o reino quântico. “Isso destaca a importância da observação cuidadosa e do exame cuidadoso de seus dados.”
Financiamento e apoio à investigação
O trabalho sobre espalhamento de nêutrons e suscetibilidade magnética AC em Rice foi apoiado pela Divisão de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA (DE-SC0012311, DE-SC0026179). O trabalho no cultivo de monocristais foi apoiado pela Fundação Robert A. Welch (C-1839). O crescimento de cristais de BG, XX e SWC na Rutgers University foi apoiado pelo Programa de Visitantes do Centro de Síntese de Materiais Quânticos, financiado pela iniciativa EPiQS da Fundação Gordon e Betty Moore (GBMF6402) e Rutgers. O trabalho teórico de CL e LB foi apoiado pelo Departamento de Energia, Gabinete de Ciência, BES (DE-FG02-08ER46524) e pela Simons Collaboration for Ultraquantum Matter. Os pesquisadores receberam apoio individual da Fundação Gordon e Betty Moore por meio do programa Fenômenos Emergentes em Sistemas Quânticos; 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 J-PARC MLF foi realizado sob a proposta #2022B0242. Este estudo utilizou os recursos da Spallation Neutron Source, um Escritório de Usuários Científicos do Departamento de Energia, operado pelo Laboratório Nacional de Oak Ridge.
