Uma equipe de pesquisa internacional - incluindo o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)- descobriu um estado quântico que poderia ser descrito desta forma. Os cientistas conseguiram resfriar um material especial a uma temperatura próxima do zero absoluto. Eles descobriram que uma propriedade central dos átomos – o seu alinhamento – não “congelava”, como de costume, mas permanecia num estado “líquido”.
Dentro materiais quânticos, os elétrons interagem com intensidade incomum, tanto entre si quanto com os átomos da rede cristalina. Esta estreita ligação produz efeitos quânticos potentes que impactam os níveis microscópicos e macroscópicos. Esses fenômenos conferem aos materiais quânticos qualidades extraordinárias. Por exemplo, a baixas temperaturas, eles podem transportar eletricidade sem perdas. Freqüentemente, mesmo pequenas variações de temperatura, pressão ou tensão elétrica são suficientes para alterar significativamente o comportamento de um material.
O professor Jochen Wosnitza do Laboratório Magnético de Alto Campo de Dresden (HLD) da HZDR disse: “Em princípio, os ímãs também podem ser considerados materiais quânticos; afinal, o magnetismo é baseado no Spin intrínseco dos elétrons do material. De certa forma, esses spins podem se comportar como um líquido.”
“À medida que as temperaturas caem, essas rotações desordenadas podem congelar, assim como a água congela e se transforma em gelo.”
“Por exemplo, certos tipos de ímãs, os chamados ferromagnetos, não são magnéticos acima de seu ponto de “congelamento” ou, mais precisamente, de pedido. Somente quando caem abaixo dele é que podem se tornar ímãs permanentes.”
Neste estudo, os cientistas procuraram descobrir um estado quântico em que o alinhamento atómico associado aos spins não se ordenava, mesmo a temperaturas ultrafrias – semelhante a um líquido que não se solidifica, mesmo em frio extremo.
Para chegar a esse estado, a equipe de pesquisa empregou uma substância única, uma mistura de praseodímio, zircônio e oxigênio. Eles acreditavam que as características da rede cristalina deste material permitiriam que os spins dos elétrons interagissem de forma única com seus orbitais ao redor dos átomos.
O professor Satoru Nakatsuji da Universidade de Tóquio disse: “O pré-requisito, porém, era ter cristais de extrema pureza e qualidade. Foram necessárias várias tentativas, mas, eventualmente, a equipe conseguiu produzir cristais puros o suficiente para seu experimento: em um criostato, uma espécie de frasco super térmico, os especialistas resfriaram gradualmente sua amostra até 20 milikelvin – apenas um quinquagésimo de grau. acima do zero absoluto. Para ver como a amostra respondeu a esse processo de resfriamento e dentro do campo magnético, eles mediram o quanto ele mudou em comprimento. Em outro experimento, o grupo registrou como o cristal reagia às ondas de ultrassom enviadas diretamente através dele.”
Sergei Zherlitsyn, especialista do HLD em investigações de ultrassom, descreve: “Se os spins tivessem sido ordenados, isso deveria ter causado uma mudança abrupta no comportamento do cristal, como uma mudança repentina no comprimento. No entanto, como observamos, nada aconteceu! Não houve mudanças repentinas no comprimento ou na resposta ao ondas de ultrassom. "
“A interação pronunciada de spins e orbitais impediu a ordenação, razão pela qual os átomos permaneceram no seu estado quântico líquido – a primeira vez que tal estado quântico foi observado. Outras investigações em campos magnéticos confirmaram esta suposição.”
Jochen Wosnitza especula, “Este resultado de pesquisa básica também poderá ter implicações práticas um dia: em algum momento, poderemos usar o novo estado quântico para desenvolver sensores quânticos suscetíveis. Para fazer isso, entretanto, ainda temos que descobrir como gerar excitações neste estado de forma sistemática. A detecção quântica é considerada uma tecnologia promissora do futuro. Como a sua natureza quântica os torna extremamente sensíveis a estímulos externos, os sensores quânticos podem registar campos magnéticos ou temperaturas com muito maior precisão do que os sensores convencionais.”
Jornal de referência:
- Tang, N., Gritsenko, Y., Kimura, K. et al. Estado líquido spin-orbital e transição metamagnética líquido-gás em uma rede de pirocloro. Nat. FísicaS. (2022). DOI: 10.1038/s41567-022-01816-4
