Os líquidos de spin quântico são sistemas quânticos fascinantes que recentemente atraíram significativa atenção de pesquisas. Esses sistemas são caracterizados por uma forte competição entre interações, o que impede o estabelecimento de uma ordem magnética de longo alcance, como a observada em ímãs convencionais, onde todos os spins se alinham na mesma direção para produzir um campo magnético líquido.
Pesquisadores da Universidade de Toronto introduziram recentemente uma estrutura que poderia facilitar a observação experimental de um novo líquido de spin quântico 3D conhecido como gelo de spin quântico octupolar com fluxo π (π-O-QSI). Seu artigo, publicado em Physical Review Letters, prevê as assinaturas espectroscópicas distintas deste sistema, que poderão ser medidas em experimentos futuros.
“Curiosamente, os líquidos de spin quântico podem hospedar excitações fracionadas”, disse Félix Desrochers, coautor do artigo, ao Phys.org. “Ou seja, os elétrons nesses materiais parecem se dissociar em múltiplos componentes. Por exemplo, enquanto os elétrons carregam spin e carga, a quasipartícula emergente pode carregar spin, mas sem carga.
“Essas excitações não surgem da fragmentação dos elétrons em vários pedaços, mas são, em vez disso, o resultado de uma forma altamente não trivial de movimento coletivo induzida por suas fortes interações.”
Os físicos têm procurado exemplos claros do estado líquido de spin quântico há décadas. No entanto, o progresso neste campo de investigação tem sido lento até agora, devido a dois factores principais.
Primeiro, desenvolver modelos teóricos que descrevam realisticamente estados fundamentais de spin líquido e que possam ser usados para derivar previsões precisas tem se mostrado um desafio. Em segundo lugar, detectar e caracterizar as propriedades físicas destes sistemas em materiais reais também se revelou difícil.
“O gelo de spin quântico (QSI) é um exemplo raro de modelo com um estado fundamental líquido de spin quântico bem compreendido e também pode ser encontrado em um material real (como a família dos pirocloros de terras raras)”, explicou Desrochers.
“QSI é extraordinário porque realiza o equivalente em rede da eletrodinâmica quântica: hospeda modos emergentes semelhantes a fótons (ou seja, excitações semelhantes a partículas de luz), partículas análogas a cargas eletrostáticas com interação coulombiana mútua conhecidas como spinons e até monopolos magnéticos.”
Com base em previsões teóricas, a eletrodinâmica quântica emergente no QSI difere significativamente da eletrodinâmica convencional. Por exemplo, a velocidade da chamada “luz emergente” deveria ser da ordem de 1 m/s, em oposição aos 3×108 m/s de luz que encontramos na vida cotidiana.
“Experimentos recentes em Ce2Zr2O7, Esse2Sn2O7 e Ce2Hf2O7 foram extremamente emocionantes”, disse Desrochers. “Os materiais não mostram nenhum sinal de ordenação até a temperatura mais baixa acessível.
“Análises adicionais determinaram os parâmetros microscópicos que descrevem seu comportamento. Eles descobriram que o sistema está em uma região do espaço de parâmetros que é teoricamente sugerido para hospedar um sabor específico de QSI conhecido como gelo de spin quântico de fluxo π (π-QSI).
Embora estudos recentes tenham recolhido descobertas encorajadoras, identificar de forma fiável os líquidos de spin quânticos é uma tarefa altamente complexa, já que mesmo uma desordem fraca pode potencialmente perturbar estes estados. Para detectar esses estados de forma inequívoca, os pesquisadores primeiro precisam identificar assinaturas distintas que sejam específicas de um líquido de spin quântico, que permaneça estável.
“Antes do nosso trabalho, não havia uma proposta clara para assinaturas definitivas da dinâmica de spin no QSI de fluxo π”, explicou Desrochers. “Nosso trabalho teve como objetivo destacar potenciais assinaturas distintas que poderiam ajudar a identificar se o QSI de fluxo π é realizado em Ce2Zr2O7 e outros compostos semelhantes. Nós nos concentramos especialmente em assinaturas que poderiam ser medidas com aparelhos experimentais atualmente disponíveis.”
Como parte de seu estudo, Desrochers e seu Ph.D. o supervisor Yong Baek Kim decidiu prever as assinaturas espectroscópicas distintas do estado QSI de fluxo π usando uma estrutura teórica introduzida por Lucile Savary e Leon Balents em 2012, conhecida como teoria de campo médio de calibre (GMFT). Esta estrutura reescreve essencialmente os operadores de spin iniciais com base nas excitações emergentes presentes no gelo de spin quântico, nomeadamente fótons e spinons.
“Esta estrutura já foi usada para estudar QSI de fluxo π em alguns dos primeiros trabalhos utilizando GMFT”, disse Desrochers. “Portanto, expandimos este trabalho com o objetivo de fazer previsões experimentalmente significativas. Para garantir que as nossas previsões sejam fiáveis, também fizemos extensas comparações com resultados numéricos anteriores do nosso grupo e da literatura.”
Este estudo recente de Desrochers e Kim oferece uma previsão significativa das assinaturas espectroscópicas distintas do QSI de fluxo π do estado líquido de spin. Estas assinaturas poderão orientar futuros estudos experimentais, ajudando os físicos a confirmar a presença deste estado exótico.
“Destacamos que o QSI de fluxo π deve produzir três picos de intensidade decrescente no espalhamento inelástico de nêutrons”, disse Desrochers. “Esta é uma assinatura única e distinta. Se medidos, estes três picos forneceriam evidências convincentes para a realização experimental deste QSL tridimensional.”
Desrochers e Kim esperam que suas previsões ajudem os pesquisadores a determinar o que devem esperar medir ao encontrar o indescritível estado do QSI de fluxo π. Notavelmente, as assinaturas espectroscópicas que identificaram deveriam ser detectáveis em resoluções experimentais atualmente alcançáveis, podendo assim ser potencialmente observadas em breve.
Entretanto, os investigadores planeiam desenvolver o seu estudo recente para reunir previsões cada vez mais detalhadas. Por exemplo, gostariam de estudar como os picos que previram evoluiriam a diferentes temperaturas e estimar a que temperaturas desapareceriam.
“Os desenvolvimentos futuros mais emocionantes certamente virão do lado experimental”, acrescentou Desrochers. “A confirmação da presença destes picos ofereceria evidências altamente persuasivas da realização deste novo estado da matéria há muito procurado. Já existem alguns sinais encorajadores: trabalhos recentes sobre Ce2Sn2O7 relataram medições que mostram sinais de três picos de intensidade decrescente.”