P Grande da fsica quntica tem experincia fora do corpo

Nanotecnologia

Redação do Site Inovação Tecnológica – 06/09/2021

Spinons e cargons

Fsicos conseguiram tirar uma foto ntida de partculas eletrnicas que compem um misterioso estado magntico chamado lquido de spin quntico (QSL: quantum spin liquid).

As imagens mostram como os eltrons em um QSL se decompem em partculas semelhantes a spin, chamadas spinons, e partculas semelhantes a cargas, chamadas cargons.

“Spinons so como partculas-fantasmas. Elas so como o P Grande da fsica quntica – as pessoas dizem que os viram, mas difcil provar que eles existem,” disse Sung-Kwan Mo, dos Laboratrios Berkeley, nos EUA. “Com nosso mtodo, fornecemos algumas das melhores evidncias at hoje.”

Alm de resolver um enigma da fsica fundamental, o experimento pode facilitar o desenvolvimento de computadores qunticos e supercondutores, uma vez que ambos envolvem as interaes entre essas partculas fundamentais.

Partculas fantasmas

Em um lquido de spin quntico, os spinons se movem livremente carregando calor e momento magntico – mas sem carga eltrica. Para detect-los, a maioria dos pesquisadores vinha confiando em tcnicas que procuram suas assinaturas de calor – mais ou menos como pegadas do P Grande.

Agora, a equipe demonstrou como caracterizar spinons por imagem direta, mostrando como eles se distribuem em amostras de uma nica camada de disseleneto de tntalo (1T-TaSe2), um material com apenas trs tomos de espessura. Este material faz parte de uma classe chamada dicalcogenetos de metais de transio (TMDCs), materiais que esto na base de novas arquiteturas da computao, como componentes eletrnicos multifuncionais, novas tecnologias de telas e monitores e clulas solares.

Quando os eltrons de uma agulha de metal so injetados na amostra de disseleneto de tntalo, as imagens coletadas por espectroscopia de varredura por tunelamento (STS: Scanning Tunneling Spectroscopy) – uma tcnica de imagem que mede como as partculas se organizam em um determinado nvel de energia – revelaram algo bastante inesperado: Uma camada de ondas misteriosas, com comprimentos de onda maiores que um nanmetro, cobrindo toda a superfcie do material.

“Os longos comprimentos de onda que vimos no correspondiam a nenhum comportamento conhecido do cristal,” disse Michael Crommie, membro da equipe. “Coamos nossas cabeas por um longo tempo. O que poderia causar tais modulaes de comprimento de onda no cristal? Ns descartamos as explicaes convencionais uma por uma. Mal sabamos que esta era a assinatura das partculas fantasmas spinons.”

Esquema da rede triangular e do padro de ondas estrela-de-Davi na superfcie do material monoatmico. Cada estrela consiste de 13 tomos de tntalo, os spins so representados pelas setas azuis e a funo de onda dos eltrons “travados” representada pelas nuvens cinzas.
[Imagem: Wei Ruan et al. – 10.1038/s41567-021-01321-0]

Computao quntica e supercondutividade

As anlises da equipe mostraram que as cargas eltricas “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 “experincia fora do corpo”, medida que se separam dos cargons imobilizados e se movem livremente pelo material.

“Isso incomum, uma vez que, em um material convencional, os eltrons carregam o spin e a carga combinados em uma partcula conforme se movem. Eles geralmente no se separam dessa maneira engraada,” comentou Crommie.

Esta demonstrao mais um fator para entusiasmar os pesquisadores com os lquidos de spin quntico, que podero um dia formar a base de bits qunticos (qubits) mais robustos.

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

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