Uma equipe de pesquisa global liderada pelo físico da Rice University, Pengcheng Dai, verificou a presença de fótons emergentes e excitações de spin fracionárias em um líquido quântico de spin incomum. Reportado na Nature Physics, o trabalho aponta para o cristal óxido de zircônio de cério (Ce2Zr2O7) como um exemplo limpo e tridimensional desse estado exótico da matéria.
Os líquidos quânticos de spin têm fascinado os físicos há anos, pois podem eventualmente suportar tecnologias transformadoras, incluindo computação quântica e transmissão de energia sem dissipação. Ao contrário de ímãs comuns que se estabelecem em um padrão ordenado, esses materiais evitam a ordem magnética convencional. Em vez disso, seus momentos magnéticos permanecem fortemente entrelaçados quânticamente e em constante movimento coletivo em temperaturas próximas ao zero absoluto, produzindo um comportamento que se assemelha à eletrodinâmica quântica emergente.
“Respondemos a uma grande questão em aberto ao detectar diretamente essas excitações”, disse Dai, professor de Física e Astronomia Sam e Helen Worden. “Isso confirma que o Ce2Zr2O7 se comporta como um verdadeiro gelo quântico de spin, uma classe especial de líquidos quânticos de spin em três dimensões.”
Medições Mais Limpa com Espalhamento de Nêutrons Polarizados
Para identificar essas assinaturas elusivas, os pesquisadores confiaram em um avançado espalhamento de nêutrons polarizados. Essa abordagem os ajudou a isolar o espalhamento magnético de interesse, filtrando outros sinais, mesmo à medida que o sistema se aproximava do limite de temperatura zero.
As medições também revelaram sinais de fótons emergentes próximos à energia zero — uma característica definidora que separa o gelo quântico de spin de fases mais familiares encontradas em ímãs convencionais. Evidências adicionais vieram de medições de calor específico, que apoiaram a ideia de que esses fótons emergentes previstos seguem uma dispersão semelhante ao modo como o som se move através de um sólido.
Tentativas anteriores de confirmar esse tipo de comportamento muitas vezes foram prejudicadas por ruído técnico e dados incompletos. A equipe liderada pela Rice enfrentou esses desafios por meio de uma preparação de amostra aprimorada e instrumentos de alta precisão, apoiados por um esforço internacional envolvendo grandes laboratórios na Europa e na América do Norte.
Observação Pioneira com Grande Implicações
Neste material candidato tridimensional, os pesquisadores observaram tanto fótons emergentes quanto spinons — marcos chave do gelo quântico de spin. O resultado resolve um debate de longa data na física da matéria condensada e oferece aos cientistas uma base sólida para estudar fenômenos quânticos de próxima geração e potenciais caminhos tecnológicos.
Bin Gao, cientista de pesquisa no Departamento de Física e Astronomia da Rice e primeiro autor do estudo, disse que as descobertas confirmam décadas de expectativas teóricas.
“Esse resultado surpreendente encoraja os cientistas a investigar mais profundamente esses materiais únicos, potencialmente mudando nossa compreensão sobre ímãs e o comportamento de materiais no regime quântico extremo”, afirmou Gao.
Equipe de Pesquisa e Financiamento
Os co-autores deste estudo incluem Félix Desrochers e Yong Baek Kim da Universidade de Toronto; o ex-aluno da Rice, David Tam, do Paul Scherrer Institut; Silke Paschen, Diana Kirschbaum e Duy Ha Nguyen da Universidade de Tecnologia de Viena; Paul Steffens e Arno Hiess do Institut Laue-Langevin; Yixi Su do Centro Jülich do Heinz Maier-Leibnitz Zentrum; e Sang-Wook Cheong da Universidade Rutgers.
O Departamento de Energia dos EUA, a Fundação Gordon e Betty Moore e a Fundação Robert A. Welch apoiaram este estudo.