Não há nenhuma maneira conhecida de provar que existe um “líquido quântico” tridimensional, então os físicos da Rice University e seus colaboradores fizeram o seguinte: mostraram que seus cristais de pirocloro de zircônio tinham a substância certa para se qualificar como o primeiro possível. -D versão do estado de matéria há muito procurado.
Apesar do nome, um líquido de giro quântico é um material sólido no qual a estranha propriedade da mecânica quântica – emaranhamento – garante um estado magnético semelhante ao líquido.
Em um artigo nesta semana na Nature Physics, pesquisadores ofereceram uma série de evidências experimentais – incluindo experimentos cruciais de espalhamento de nêutrons no Oak Ridge National Laboratory (ORNL) e experimentos de relaxamento de múons no Instituto Paul Scherrer (PSI) – para apoiar o argumento de que O pirocloro de zircônio de cério, em sua forma de cristal único, é o primeiro material que se qualifica como um líquido de rotação quântica em 3-D.
“Um líquido quântico é algo que os cientistas definem com base no que você não vê”, disse Pengcheng Dai, da Rice, autor do estudo e membro do Centro para Materiais Quânticos (RCQM), de Rice. “Você não vê ordem de longo alcance no arranjo das rodadas. Você não vê desordem. E várias outras coisas. Não é isso. Não é isso. Não há identificação positiva conclusiva.”
Acredita-se que as amostras da equipe de pesquisa sejam as primeiras desse tipo: Pirocloros por causa de sua proporção de 2 para 2 a 7 de cério, zircônio e oxigênio, e cristais únicos porque os átomos dentro deles são dispostos de forma contínua e ininterrupta. treliça.
“Fizemos todos os experimentos que pudemos pensar neste composto”, disse Dai. “(Co-autor do estudo) O grupo de Emilia Morosan em Rice fez um trabalho de capacidade de calor para mostrar que o material não sofre nenhuma transição de fase para 50 milikelvin. Fizemos uma cristalografia muito cuidadosa para mostrar que não há desordem no cristal. experimentos que demonstraram uma ausência de ordem magnética de longo alcance até 20 milikelvin, e nós fizemos experimentos de difração que mostraram que a amostra não tem vacância de oxigênio ou outros defeitos conhecidos.Finalmente, fizemos um espalhamento de nêutrons inelástico que mostrou a presença de uma excitação de spin contínuo – que pode ser uma marca registrada do líquido de giro quântico – até 35 milikelvin “.
Dai, professor de física e astronomia, creditou o sucesso do estudo a seus colegas, especialmente os co-autores Bin Gao e Tong Chen e o coautor David Tam. Gao, um associado de pesquisa de pós-doutorado da Rice, criou as amostras de cristal único em um forno de zona flutuante a laser no laboratório da coautora da Universidade de Rutgers, Sang-Wook Cheong. Tong, um arroz Ph.D. estudante, ajudou Bin realizar experimentos no ORNL que produziu um continuum de excitação de spin indicativo da presença de entrelaçamento de spin que produz ordem de curto alcance, e Tam, também um Ph.D. de Rice. estudante, conduziu experimentos de rotação de rotação de múons no PSI.
Apesar do esforço da equipe, Dai disse que é impossível dizer definitivamente que o cério-zircônio é um líquido de centrifugação, em parte porque os físicos ainda não concordaram em que prova experimental é necessária para fazer a declaração, e em parte porque a definição de um giro quântico líquido é um estado que existe a uma temperatura zero absoluta, um ideal fora do alcance de qualquer experiência.
Acredita-se que os líquidos de spin quântico ocorrem em materiais sólidos que são compostos de átomos magnéticos em arranjos cristalinos particulares. A propriedade inerente dos elétrons que leva ao magnetismo é o spin, e os spins eletrônicos só podem apontar para cima ou para baixo. Na maioria dos materiais, os spins são aleatoriamente embaralhados como um baralho de cartas, mas os materiais magnéticos são diferentes. Nos imãs dos refrigeradores e dentro das máquinas de ressonância magnética, as rotações detectam seus vizinhos e se organizam coletivamente em uma direção. Os físicos chamam isso de “ordem ferromagnética de longo alcance”, e outro exemplo importante de ordem magnética de longo alcance é o antiferromagnetismo, no qual as rotações coletivamente se organizam em um padrão repetitivo de cima para baixo.
“Em um sólido com um arranjo periódico de rodadas, se você sabe o que está fazendo um giro aqui, você pode saber o que está fazendo uma rotação muitas, muitas repetições por causa da ordem de longo alcance”, disse o físico teórico Rice e co estudo -author Andriy Nevidomskyy, professor associado de física e astronomia e membro do RCQM. “Em um líquido, por outro lado, não há ordem de longo alcance. Se você olhar para duas moléculas de água a um milímetro de distância, por exemplo, não há correlação alguma. No entanto, devido às suas ligações hidrogênio-hidrogênio, elas ainda pode ter um arranjo ordenado a distâncias muito curtas com moléculas próximas, o que seria um exemplo de ordem de curto alcance “.
Em 1973, o físico Prêmio Nobel Philip Anderson propôs a idéia de líquidos de spin quânticos baseados na percepção de que o arranjo geométrico de átomos em alguns cristais poderia tornar impossível para os spins emaranhados se orientarem coletivamente em arranjos estáveis.
Em 1973, o físico Prêmio Nobel Philip Anderson propôs a idéia de líquidos de spin quânticos baseados na percepção de que o arranjo geométrico de átomos em alguns cristais poderia tornar impossível para os spins emaranhados se orientarem coletivamente em arranjos estáveis.
Como o famoso escritor científico Philip Ball descreveu em 2017, “Imagine um antiferromagneto – no qual spins adjacentes preferem ser orientados de forma oposta – em uma treliça triangular. Cada giro tem dois vizinhos mais próximos em um triângulo, mas o alinhamento antiparalelo não pode ser satisfeito para todos Uma possibilidade é que a rede de spin congele em um estado “vítreo” desordenado, mas Anderson mostrou que a mecânica quântica permite a possibilidade de spins flutuantes mesmo em zero absoluto (temperatura). Esse estado é chamado de líquido de spin quântico, e Anderson mais tarde sugeriu que poderia estar conectado à supercondutividade de alta temperatura “.
A possibilidade de que líquidos quânticos possam explicar a supercondutividade em alta temperatura estimulou o interesse comum entre os físicos da matéria condensada desde os anos 80, e Nevidomskyy disse que o interesse aumentou ainda mais quando foi “sugerido que alguns exemplos dos chamados líquidos topológicos podem ser passíveis de construção”. qubits “para computação quântica.
“Mas acredito que parte da curiosidade sobre os líquidos de spin quântico é que ele ressurgiu em muitas encarnações e propostas teóricas”, disse ele. “E embora tenhamos modelos teóricos onde sabemos, de fato, que o resultado será um líquido de giro, encontrar um material físico real que atenda a essas propriedades tem, até agora, provado ser muito difícil. Não há consenso no campo.” até agora, qualquer material – 2-D ou 3-D – é um líquido de giro quântico. “
Publicado em 19/07/2019
Artigo original: https://phys.org/news/2019-07-physicists-d-quantum-liquid.html
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