Pé Grande da física quântica tem experiência fora do corpo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/09/2021

Ilustração das partículas-fantasmas se movendo pelo líquido quântico.
[Imagem: Jenny Nuss/Berkeley Lab]

Spinons e cargons

Físicos conseguiram tirar uma foto nítida de partículas eletrônicas que compõem um misterioso estado magnético chamado líquido de spin quântico (QSL: quantum spin liquid).

As imagens mostram como os elétrons em um QSL se decompõem em partículas semelhantes a spin, chamadas spinons, e partículas semelhantes a cargas, chamadas cargons.

"Spinons são como partículas-fantasmas. Elas são como o Pé Grande da física quântica - as pessoas dizem que os viram, mas é difícil provar que eles existem," disse Sung-Kwan Mo, dos Laboratórios Berkeley, nos EUA. "Com nosso método, fornecemos algumas das melhores evidências até hoje."

Além de resolver um enigma da física fundamental, o experimento pode facilitar o desenvolvimento de computadores quânticos e supercondutores, uma vez que ambos envolvem as interações entre essas partículas fundamentais.

Partículas fantasmas

Em um líquido de spin quântico, os spinons se movem livremente carregando calor e momento magnético - mas sem carga elétrica. Para detectá-los, a maioria dos pesquisadores vinha confiando em técnicas que procuram suas assinaturas de calor - mais ou menos como pegadas do Pé Grande.

Agora, a equipe demonstrou como caracterizar spinons por imagem direta, mostrando como eles se distribuem em amostras de uma única camada de disseleneto de tântalo (1T-TaSe2), um material com apenas três átomos de espessura. Este material faz parte de uma classe chamada dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs), materiais que estão na base de novas arquiteturas da computação, como componentes eletrônicos multifuncionais, novas tecnologias de telas e monitores e células solares.

Quando os elétrons de uma agulha de metal são injetados na amostra de disseleneto de tântalo, as imagens coletadas por espectroscopia de varredura por tunelamento (STS: Scanning Tunneling Spectroscopy) - uma técnica de imagem que mede como as partículas se organizam em um determinado nível de energia - revelaram algo bastante inesperado: Uma camada de ondas misteriosas, com comprimentos de onda maiores que um nanômetro, cobrindo toda a superfície do material.

"Os longos comprimentos de onda que vimos não correspondiam a nenhum comportamento conhecido do cristal," disse Michael Crommie, membro da equipe. "Coçamos nossas cabeças por um longo tempo. O que poderia causar tais modulações de comprimento de onda no cristal? Nós descartamos as explicações convencionais uma por uma. Mal sabíamos que esta era a assinatura das partículas fantasmas spinons."

Esquema da rede triangular e do padrão de ondas estrela-de-Davi na superfície do material monoatômico. Cada estrela consiste de 13 átomos de tântalo, os spins são representados pelas setas azuis e a função de onda dos elétrons "travados" é representada pelas nuvens cinzas.
[Imagem: Wei Ruan et al. - 10.1038/s41567-021-01321-0]

Computação quântica e supercondutividade

As análises da equipe mostraram que as cargas elétricas "congelam" no lugar, formando o que os cientistas chamam de onda de densidade de carga estrela-de-Davi.

Enquanto isso, os spinons passam por uma "experiência fora do corpo", à medida que se separam dos cargons imobilizados e se movem livremente pelo material.

"Isso é incomum, uma vez que, em um material convencional, os elétrons carregam o spin e a carga combinados em uma partícula conforme se movem. Eles geralmente não se separam dessa maneira engraçada," comentou Crommie.

Esta demonstração é mais um fator para entusiasmar os pesquisadores com os líquidos de spin quântico, que poderão um dia formar a base de bits quânticos (qubits) mais robustos.

Outra motivação para entender o funcionamento interno dos QSLs é que as teorias indicam que eles podem ser os precursores de alguns tipos mais exóticos de supercondutividade.

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