Novo estado da matéria, detectado num material bi-dimensional

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Uma equipa internacional de pesquisadores descobriu provas de um misterioso novo estado de matéria, previsto pela primeira vez há 40 anos atrás, num material real. Este estado, conhecido como um quantum spin liquid (algo como liquido de rotação quântica), faz com que os electrões – pensados como sendo blocos de construcção indivisíveis da natureza – se desfaçam em pedaços.

Os pesquisadores, incluindo os físicos da University of Cambridge, mediram as primeiras assinaturas destas partículas fraccionais, conhecidas como fermiões de Majorana num material bi-dimensional com uma estrutura similar à do grafeno. Os seus resultados experimentais corresponderam com sucesso a um dos principais modelos teóricos para o QSL, conhecido como um modelo Kitaev. Os resultados foram reportados no jornal Nature Materials.

QSL são estados misteriosos da matéria que se pensa que estejam escondidos em alguns materiais magnéticos, mas não foram ainda observados conclusivamente na natureza.

A observação de uma das suas mais intrigantes propriedades – divisão de electrões ou fraccionalização – em materiais reais é um avanço. Os fermiões Majorana resultantes poderão ser utilizados como blocos de construção para computadores quânticos, que serão bastante mais rápidos que os computadores convencionais e serão capazes de efectuar cálculos que não poderiam ser feitos de outro modo.

“Este é um novo estado quântico da matéria, que foi previsto, mas nunca tinha sido observado antes”, disse o Dr. Johannes Knolle do Cavendish Laboratory de Cambridge, um dos autores do documento.

Num material magnético típico, os electrões agem como pequenas barras magnéticas. E quando o material é arrefecido para uma temperatura baixa o suficiente, os ‘imãs’ irão se ordenar a si mesmos, de forma a que os polos norte magnéticos apontem para a mesma direcção, por exemplo.

Mas num material que contenha o estado QSL, mesmo que o material seja arrefecido para o zero absoluto, as barras magnéticas não se irão alinhar e sim formar um emaranhado causado pela flutuação quântica.

“Até recentemente, nós nem sabíamos como as assinaturas experimentais do QSL eram”, disse o co-autor do documento Dr. Dmitry Kovrizhin, também do grupo Teoria da Matéria Condensada do Cavendish Laboratory. “Uma coisa que fizemos no trabalhar anterior foi perguntar, se estivéssemos a fazer experiencias sobre um possível QSL, que deveríamos observar?”.

Os co-autores Knolle e Kovrizhin, liderados pelo Oak Ridge National Laboratory, utilizaram técnicas de dispersão de neutrões para tentar detectar provas experimentais de faccionalização em cristais de ruthenium chloride (RuCl3). Os pesquisadores testaram as propriedades magnéticas dos cristais de RuCl3 iluminando-os com neutrões, e observando o padrão de ondulações que os neutrões produziram no ecrã.

Um imã regular iria criar manchas acentuadas distintas, mas era um mistério que tipo de padrão os fermiões de Majorana no QSL iriam criar. A previsão teórica de assinaturas distintas pelo Knolle e os seus colaboradores em 2014 condizem correctamente com o que os experimentalistas observaram no ecrã, obtendo pela primeira vez provas directas de um QSL e da fraccionalização de electrões num material bi-dimensional.

“Esta é uma nova adição à pequena lista de estados quânticos da matéria conhecidos”, disse Knolle.

“É um passo importante para entender a matéria quântica”, disse Kovrizhin. “É engraçado termos um novo estado quântico que nunca vimos antes – providencia-nos possibilidades de tentar novas coisas”.

[PHYS.org]

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