Um estado exótico e totalmente novo da matéria chamado líquido de spin quântico foi hipotetizado por décadas, e agora os cientistas foram capazes de observá-lo em um laboratório pela primeira vez.
A parte ‘líquida’ refere-se aos elétrons que estão constantemente mudando e flutuando dentro de um material magnético em baixas temperaturas. Ao contrário dos ímãs regulares, neste caso os elétrons não se estabilizam ou se acomodam na rede estruturada de um sólido à medida que são resfriados.
O ‘spin quântico’ refere-se à orientação do momento angular (para cima ou para baixo) transportado pelas partículas, que estão emaranhadas em pares com spins opostos. Agora que o estado foi observado pela primeira vez, espera-se que a descoberta possa promover o progresso no desenvolvimento de computadores quânticos.
?É um momento muito especial na área?, diz o físico quântico Mikhail Lukin, da Universidade Harvard em Massachusetts. “Você pode realmente tocar, cutucar e cutucar esse estado exótico e manipulá-lo para entender suas propriedades … é um novo estado da matéria que as pessoas nunca foram capazes de observar.”
Os ímãs normais apresentam elétrons cujo spin é orientado na mesma direção para cima ou para baixo, que é o que gera o magnetismo.
Em líquidos de spin quântico, um terceiro elétron é introduzido, então, enquanto dois spins opostos se estabilizam, o spin do terceiro elétron desequilibra o equilíbrio. Isso cria um ímã “frustrado”, onde nem todos os giros podem se estabilizar em uma direção.
Para produzir seu próprio padrão de rede frustrado, a equipe usou um simulador quântico programável construído em 2017. O simulador usa um programa de computador quântico para manter átomos em formas personalizadas usando lasers – como quadrados, triângulos ou favos de mel – e pode ser usado para projetar diferentes interações e processos quânticos.
O simulador usa feixes de laser fortemente focados para organizar os átomos individualmente e, ao organizar os átomos de rubídio em uma estrutura triangular, os pesquisadores foram capazes de produzir um ímã frustrado com propriedades de emaranhamento quântico – onde as mudanças em um átomo são correspondidas em um segundo átomo emaranhado.
As conexões entre os átomos indicavam que um líquido quântico de spin havia de fato sido criado.
“Você pode separar os átomos o quanto quiser; você pode alterar a frequência da luz do laser; você pode realmente alterar os parâmetros da natureza de uma forma que não poderia no material onde essas coisas foram estudadas anteriormente”, diz o físico quântico Subir Sachdev, da Universidade de Harvard.
“Aqui, você pode olhar para cada átomo e ver o que está fazendo.”
Computadores quânticos são construídos em bits ou qubits quânticos, e espera-se que líquidos de spin quânticos ajudem no desenvolvimento de qubits topológicos: qubits que são melhor protegidos contra ruído externo e interferência.
Para um computador quântico, isso é extremamente importante. Esses sistemas podem ser muito delicados e fazê-los funcionar por longos períodos de tempo sem erros é um dos maiores desafios em que os cientistas estão trabalhando.
Agora que os líquidos de spin quântico foram detectados pela primeira vez, isso deve ajudar a descobrir como tornar os qubits o mais robustos possível. Agora há muito mais para explorar, dizem os pesquisadores.
“Aprender como criar e usar esses qubits topológicos representaria um grande passo em direção à realização de computadores quânticos confiáveis”, disse a física quântica Giulia Semeghini, da Universidade de Harvard.
Publicado em 07/12/2021 17h11
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