Spin Supersolid aparece em um antiferromagneto quântico - Mundo da Física

Republicado por Platão

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Figura que ilustra o processo de resfriamento adiabático de um supersólido de spin, em comparação com o resfriamento paramagnético — A figura ilustra o processo de resfriamento adiabático de um supersólido giratório, em comparação com o resfriamento paramagnético, destacando as características exclusivas do resfriamento supersólido giratório. A estrutura de rede triangular e dispositivos experimentais (com compostos NBCP) para medições magnetocalóricas adiabáticas também estão incluídos nas inserções. (Cortesia: W Li)

Pesquisadores na China, França e Austrália encontraram novas evidências de um estado quântico exótico da matéria chamado supersólido de spin. A descoberta, feita em um material antiferromagnético com estrutura de rede atômica triangular, representa um avanço na física fundamental e também pode auxiliar no desenvolvimento de novas técnicas de resfriamento que não necessitam de hélio líquido, já que o material também apresenta um efeito magnetocalórico gigante.

Como o próprio nome indica, os supersólidos são materiais que fluem sem atrito (como um superfluido), embora as partículas que os compõem estejam dispostas em uma rede cristalina (como um sólido). Como tal, estes materiais quebram duas simetrias contínuas: invariância translacional, devido à ordem cristalina; e simetria de medida, devido ao fluxo sem atrito do material.

Os teóricos previram na década de 1960 que os supersólidos deveriam existir em sólidos quânticos com as chamadas vagas bosónicas móveis – isto é, lacunas deixadas à medida que átomos com valores de spin inteiros se movem através da rede cristalina. Começando na década de 1980, a pesquisa experimental se concentrou em sugestões de que a supersolididade poderia ocorrer no superfluido hélio-4. Em 2004, físicos da Universidade Estadual da Pensilvânia, nos EUA, relataram evidências de supersolididade neste material. No entanto, uma investigação mais aprofundada pelos mesmos investigadores revelou que eles estavam enganados, e suas observações poderiam ser explicado de outras maneiras.

Experimentos mais recentes mostraram que gases quânticos dipolares alongados em uma direção podem sofrer uma transição de fase de um condensado regular de Bose-Einstein (BEC) para um estado com propriedades supersólidas. Os átomos em gases dipolares têm grandes momentos magnéticos e são as interações entre eles que dão origem à supersolididade nesses sistemas.

Camadas de evidências

Pesquisadores liderados por Gangue Su no Universidade da Academia Chinesa de Ciências (CAS) em Pequim dizem agora que encontraram o análogo magnético quântico de um supersólido em um antiferromagneto recentemente sintetizado com a fórmula química Na₂BaCo(PO₄)₂. Este composto, conhecido como NBCP, também apresenta um efeito magnetocalórico gigante, o que significa que aquece e arrefece dramaticamente quando um campo magnético externo é aplicado e removido.

Su e colegas Wei Li da Instituto de Física Teórica, CAS; Junsen Xiang e Sol Peijie do Instituto de Física, CAS; e Wentao Jin at Universidade de Beihang realizaram suas medições magnetocalóricas em temperaturas abaixo de 1 K. A excelente concordância entre seus dados experimentais e cálculos teóricos de transições de fase quântica supersólidas ajudou a convencê-los de que estavam observando um novo spin supersólido.

Outra confirmação veio de evidências microscópicas obtidas através da realização de experimentos de difração de nêutrons em amostras de alta qualidade de NBCP no Institut Laue-Langevin na França e no Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear. “Os picos de difração revelaram ordem de três sub-redes no plano, ordem sólida e incomensurabilidade na direção fora do plano”, diz Su. “Este último pode estar relacionado com a existência de modos Goldstone sem intervalos (uma forma de quebra de simetria nos bósons) e, portanto, apoia a existência de superfluidez de spin no composto.”

Um novo estado quântico da matéria e um novo mecanismo de resfriamento

A equipe do CAS optou por estudar o NBCP porque ele exibe fortes flutuações de spin de baixa energia, indicando um possível estado líquido de spin quântico. É também um antiferromagneto, o que significa que, ao contrário dos ferromagnetos convencionais, que têm spins de elétrons paralelos, seus spins de elétrons tendem a se alinhar de forma antiparalela entre si. Este anti-alinhamento leva a fortes interações entre os spins.

Depois que um dos membros da equipe sugeriu que um supersólido de spin poderia existir no NBCP, Li e Gang perguntaram a seus colegas experimentalistas Xiang, Jin e Sun se era possível procurar novos estados de spin quântico no composto. “Eles fizeram e observaram o novo estado quântico da matéria, o spin supersólido”, lembra Li.

Além de revelar um novo estado quântico da matéria, a descoberta também pode levar a novos métodos de resfriamento sub-Kelvin livres de hélio. Eles são muito procurados para ciência de materiais, tecnologia quântica e aplicações espaciais, entre outras, disse Li. Mundo da física.

A supersolididade entra em uma segunda dimensão

Li explica que existem atualmente duas maneiras principais de resfriar materiais a temperaturas de poucos Kelvin. A primeira é usar o hélio, que se torna líquido em temperaturas abaixo de 4.15 K. A segunda é explorar o efeito magnetocalórico, no qual certos materiais mudam de temperatura sob a influência de um campo magnético aplicado. Ambas as técnicas têm as suas desvantagens: o hélio é escasso e, portanto, caro, enquanto a classe especial de compostos utilizados para arrefecimento magnetocalórico (conhecidos como sais paramagnéticos hidratados) tem baixa densidade de entropia magnética, fraca estabilidade química e baixa condutividade térmica. No entanto, Li afirma que o efeito magnetocalórico gigante no supersólido de spin recém-descoberto poderia “superar efetivamente essas desvantagens”, explorando excitações coletivas de spin em baixas energias.

Procurando por outros supersólidos de spin

Os pesquisadores estão agora tentando obter evidências dinâmicas adicionais para a supersolidez do spin no NBCP. Para este fim, Jin diz que eles estão realizando medições de espalhamento inelástico de nêutrons para investigar os modos Goldstone associados à ordem do superfluido de spin. Eles também planejam conduzir experimentos de difração de nêutrons polarizados para fortalecer ainda mais suas descobertas.

Finalmente, a equipe está investigando outros compostos de rede triangular em um esforço para identificar estados supersólidos de spin adicionais ou outros estados de spin exóticos. “Ao fazer isso, esperamos compreender melhor os fenômenos físicos subjacentes que dão origem a essas intrigantes fases quânticas da matéria”, diz Su.

Seu presente estudo é detalhado em Natureza.