Pesquisadores nos Estados Unidos podem ter encontrado a primeira evidência concreta de que o elétron é composto de duas partículas distintas. De acordo com N Phuan Ong e colegas da Universidade de Princeton, a observação de “separação spin-carga” em um material conhecido como líquido de spin quântico sugere que o elétron não é uma partícula “pontual” sem estrutura como comumente se pensa, mas se comporta como ele contém duas entidades separadas.
Líquidos de spin quântico (QSLs) são materiais magnéticos sólidos que não podem organizar seus momentos magnéticos (ou spins) em um padrão regular e estável. Este comportamento denominado “frustrado” é muito diferente daquele dos ferromagnetos comuns (em que todos os spins apontam na mesma direção, seja “para cima” ou “para baixo”), ou antiferromagnetos (nos quais os spins apontam em direções alternadas, “Up-down” ou “down-up”).
A mecânica quântica descreve essa frustração sugerindo que a orientação dos spins não é rígida. Em vez disso, ele muda constantemente de direção de uma forma fluida para produzir um conjunto emaranhado de spin-ups e spin-downs. Graças a esse comportamento, um líquido de rotação permanecerá no estado líquido mesmo em temperaturas próximas do zero absoluto, onde a maioria dos materiais geralmente congela o sólido.
O holon e o spinon
Para descrever esse comportamento em termos matemáticos, o falecido Prêmio Nobel Philip W Anderson, que previu a existência de líquidos de spin em 1973, propôs que, no regime quântico, um elétron poderia de fato ser composto de duas partículas distintas. O primeiro, conhecido como “hólon”, carregaria a carga negativa do elétron, enquanto a segunda partícula “spinon” carregaria seu spin. Anderson mais tarde sugeriu que essa separação de carga de spin pode fornecer um mecanismo microscópico para explicar as altas temperaturas de transição supercondutor (Tc) que foram observadas em óxidos de cobre, ou cupratos, começando no final dos anos 1980.
No novo estudo, Ong e os alunos de pós-graduação Peter Czajka e Tong Gao começaram a identificar sinais do spinon no cloreto de rutênio (III), RuCl3. Este material antiferromagnético se assemelha ao modelo ideal de favo de mel de Kitaev para um líquido de spin e sofre uma transição para um líquido de spin a uma temperatura de 0,5 K na presença de um campo magnético forte (entre 7 e 11,5 Tesla). Este é o intervalo de campo sobre o qual o estado líquido de spin é estável, explica Ong.
Em seus experimentos, que detalham na Nature Physics, os pesquisadores colocaram cristais de RuCl3 em um banho ultracold mantido em temperaturas um pouco acima do zero absoluto. Eles então aplicaram o campo magnético e uma pequena quantidade de calor a uma borda de um cristal e monitoraram sua condutividade térmica. De acordo com a teoria, os spinons, se estiverem presentes, devem aparecer como um padrão oscilante no gráfico de condutividade térmica versus campo magnético aplicado.
Sinal extremamente pequeno
A quantidade de calor aplicada é extremamente pequena, o que equivale a uma mudança de temperatura de apenas alguns centésimos de grau. Isso significava que os pesquisadores tinham que controlar a temperatura da amostra com muito cuidado, usando termômetros muito sensíveis para medir como ela mudava. Eles também fizeram suas medições nos cristais mais puros disponíveis, conforme fornecido pelo grupo de David Mandrus na Universidade de Tennessee-Knoxville e Stephen Nagler na Divisão de Dispersão de Nêutrons do Laboratório Nacional de Oak Ridge.
Em seu estudo, realizado ao longo de quase três anos, Ong, Czajka e Gao detectaram oscilações de temperatura que implicam na presença de espínons. Essas excitações de spin em movimento livre podem ser consideradas análogas (sem carga) aos elétrons em um metal, embora RuCl3 seja um excelente isolante com um grande gap eletrônico.
Em seu trabalho anterior, os pesquisadores descobriram que essas oscilações morrem lentamente à medida que a temperatura aumenta de 0,5 para 5 K, substituída por um efeito Hall térmico no plano. “Temos investigado esse efeito com muitos detalhes e temos muitas dúvidas em torno dos fenômenos gêmeos”, observa Ong. “O efeito Hall térmico é quantizado? De onde isso vem? E qual é a sua natureza física? Estaremos fornecendo um relatório detalhado sobre este estudo em um próximo artigo”, disse ele à Physics World.
Publicado em 19/06/2021 13h45
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