Em 1966, o físico japonês Yosuke Nagaoka teve a idéia de um novo mecanismo incomum que poderia causar ferromagnetismo – o fenômeno que alimenta os ímãs como os conhecemos.
Sua ideia fazia sentido teoricamente, mas nunca foi observada em materiais naturais. Agora, temos nossos primeiros sinais disso acontecendo no laboratório.
Mais uma vez, estamos em dívida com a física quântica pela descoberta. Os cientistas foram capazes de gerar o que chamam de “assinaturas experimentais” do ferromagnetismo de Nagaoka (como foi chamado) em um sistema elétrico quântico sob controle e sob medida.
Embora seja muito cedo para usar essa nova configuração de magnetismo praticamente, o que torna a descoberta interessante é a indicação de que a previsão de 54 anos de Nagaoka está correta; e isso poderia ter um grande impacto em como os sistemas quânticos do futuro serão desenvolvidos.
“Os resultados foram claros: demonstramos o ferromagnetismo de Nagaoka”, diz o físico quântico Lieven Vandersypen, da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda.
“Quando começamos a trabalhar neste projeto, eu não tinha certeza se o experimento seria possível, porque a física é muito diferente de qualquer outra coisa que já estudamos em nosso laboratório”.
A maneira mais simples de pensar sobre o ferromagnetismo de Nagaoka é como um jogo de quebra-cabeça infantil, com blocos deslizantes que você deve colocar em uma imagem ou padrão. Nesta analogia, cada bloco é um elétron com seu próprio giro ou alinhamento.
Quando os elétrons se alinham em uma direção, um campo magnético é criado. Nagaoka descreveu uma espécie de versão ideal do ferromagnetismo itinerante, que é onde os elétrons são livres para se mover, mas o material permanece magnético.
Na versão de Nagaoka do jogo de quebra-cabeça, todos os elétrons estão alinhados na mesma direção – isso significa que, no entanto, os blocos de quebra-cabeça são embaralhados, o magnetismo do sistema como um todo permanece constante.
Como embaralhar os elétrons (ou peças do quebra-cabeça) não faz diferença para a configuração geral, menos energia é necessária pelo sistema.
Para mostrar o ferromagnetismo de Nagaoka em ação, os cientistas construíram uma estrutura 2D, dois por dois, composta por pontos quânticos, pequenas partículas semicondutoras com potencial para formar a próxima geração de computadores quânticos.
Todo o sistema foi resfriado até quase zero absoluto (-272,99 ° C ou -459,382 ° F), e três elétrons foram presos dentro dele (deixando um ‘bloco de quebra-cabeça’ vazio). O próximo passo foi demonstrar que a treliça se comportava como um ímã, como Nagaoka sugeriu.
“Usamos um sensor elétrico muito sensível que pode decifrar a orientação de rotação dos elétrons e convertê-lo em um sinal elétrico que pudemos medir no laboratório”, diz o físico quântico Uditendu Mukhopadhyay, da Universidade de Tecnologia de Delft.
O sensor mostrou que o sistema de pontos quânticos super pequeno e super delicado realmente alinhava as rotações dos elétrons conforme o esperado, preferindo naturalmente o estado de energia mais baixo.
Tendo sido descrito anteriormente como um dos problemas mais difíceis da física, é um avanço significativo em nossa compreensão do magnetismo e da mecânica quântica, mostrando que uma idéia de longa data sobre como o ferromagnetismo funciona na escala nanométrica está realmente correta.
Mais adiante, a descoberta deve ajudar no desenvolvimento de nossos próprios computadores quânticos, dispositivos capazes de realizar cálculos além do escopo de nossa tecnologia atual.
“Tais sistemas permitem o estudo de problemas complexos demais para serem resolvidos com o supercomputador mais avançado de hoje, por exemplo, processos químicos complexos”, diz Vandersypen.
“Experimentos de prova de princípio, como a realização do ferromagnetismo de Nagaoka, fornecem orientações importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos e simuladores do futuro”.
Publicado em 08/03/2020 04h49
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