Uma equipe liderada pelo físico da Rice University Pengcheng Dai confirmou comportamento emergente semelhante a fótons em um material de líquido de spin quântico. A descoberta em óxido de cério zircônio verifica um verdadeiro gelo de spin quântico tridimensional. Este avanço resolve um enigma de longa data na física da matéria condensada.
Físicos têm se perguntado há muito tempo sobre o comportamento dos líquidos de spin quânticos, materiais que desafiam a ordenação magnética típica. Em um estudo publicado em Nature Physics, pesquisadores verificaram a existência de fótons emergentes e excitações de spin fracionadas em óxido de cério zircônio (Ce₂Zr₂O₇). Liderada por Pengcheng Dai, o professor Sam and Helen Worden de Física e Astronomia na Rice University, a equipe usou técnicas avançadas para observar esses fenômenos em temperaturas próximas do zero absoluto.
Líquidos de spin quânticos mantêm momentos magnéticos entrelaçados em movimento constante, evitando os padrões ordenados vistos em ímãs convencionais. Esse estado imita aspectos da eletrodinâmica quântica e promete aplicações em computação quântica e transmissão de energia eficiente. O material Ce₂Zr₂O₇ emergiu como um exemplo pristino de gelo de spin quântico tridimensional.
Para detectar esses sinais elusivos, os pesquisadores empregaram espalhamento de nêutrons polarizados, que isolou contribuições magnéticas enquanto minimizava ruído à medida que as temperaturas caíam para zero. Seus dados revelaram sinais de fótons emergentes em baixas energias, distinguindo o gelo de spin quântico de outras fases magnéticas. Medidas de calor específico corroboraram isso, mostrando padrões de dispersão semelhantes a ondas sonoras em sólidos.
"Respondemos a uma grande questão aberta detectando diretamente essas excitações", disse Dai. "Isso confirma que Ce₂Zr₂O₇ se comporta como um verdadeiro gelo de spin quântico."
Esforços anteriores enfrentaram desafios de limitações técnicas e amostras impuras, mas preparação aprimorada e instrumentos de laboratórios na Europa e América do Norte permitiram resultados mais claros. A equipe também avistou spinons, reforçando previsões teóricas.
Bin Gao, autor principal do estudo e pesquisador na Rice, observou o impacto mais amplo: "Este resultado surpreendente incentiva cientistas a explorarem mais profundamente esses materiais únicos, potencialmente alterando como entendemos ímãs e o comportamento de materiais no regime quântico extremo."
Coautores incluem especialistas da Universidade de Toronto, Universidade Técnica de Viena, Institut Laue-Langevin, Centro Jülich e Universidade Rutgers. Financiamento do Departamento de Energia dos EUA, Fundação Gordon e Betty Moore e Fundação Robert A. Welch.
Esta observação fornece uma plataforma robusta para explorar matéria quântica entrelaçada e suas aplicações tecnológicas.