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Jun 13, 2023

A observação de um estado fundamental quântico desordenado em um ímã de rede triangular

25 de maio de 2023 destaque Este

Recurso de 25 de maio de 2023

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por Ingrid Fadelli, Phys.org

Materiais magnéticos com uma rede triangular têm sido o foco de numerosos estudos de pesquisa, pois as previsões teóricas sugerem que eles podem exibir estados líquidos de spin. São fases quânticas da matéria que apresentam características interessantes, como emaranhamento quântico e excitações fracionadas.

Embora tenha havido numerosos esforços experimentais destinados a observar essas fases fascinantes em materiais com uma rede triangular, isso até agora provou ser muito desafiador. Uma das principais razões para isso é que o fraco acoplamento spin-órbita e outras perturbações nesses materiais normalmente resultam em congelamento de spin convencional ou estados magnéticos.

Pesquisadores da University of California, Boston College, Oak Ridge National Laboratory e do National Institute of Standards and Technology foram recentemente capazes de produzir um estado fundamental quântico desordenado no NaRuO2, um ímã de rede triangular. Suas descobertas, publicadas na Nature Physics, sugerem que esse estado foi ativado pela interação cooperativa entre o acoplamento spin-órbita e os efeitos de correlação no material magnético.

"Estudamos redes triangulares há muito tempo, em busca de materiais que hospedam o que chamamos de estados fundamentais quânticos desordenados", disse Stephen D. Wilson, um dos pesquisadores que realizou o estudo, à Phys.org. "Estes são estados em que os momentos magnéticos em cada átomo, cada um situado dentro de uma rede de triângulos de borda compartilhada, não conseguem se ordenar ou congelar no lugar mesmo no zero absoluto. Essa falha na ordem é nominalmente devido a flutuações quânticas que embaralham continuamente os momentos. e servir para definir um novo estado fundamental magnético intrinsecamente desordenado e dinâmico."

Uma abordagem para realizar estados fundamentais quânticos em materiais envolve a identificação de estratégias eficazes para emaranhar o grau de liberdade orbital de elétrons individuais com seu grau de liberdade de spin. Em última análise, isso pode ser alcançado combinando cuidadosamente diferentes elementos, por exemplo, incluindo rutênio (Ru) em compostos, que também foi incluído na amostra de NaRuO2 da equipe.

"Um grande desafio foi tornar limpo o material em que estávamos interessados, NaRuO2", explicou Wilson. "Para realmente testar o que está acontecendo no reino do magnetismo quântico, você realmente precisa remover fatores extrínsecos, como impurezas químicas, tanto quanto possível. Uma vez que fizemos o NaruO2 com qualidade suficiente, havia vários experimentos que poderíamos realizar, todos eles descobrindo um pouco mais sobre a física do que está acontecendo. Em outras palavras, você precisa de várias janelas diferentes para formar a imagem completa de um material complicado."

Depois de perceberem sua amostra limpa de NaRuO2, Wilson e seus colegas conduziram uma série de testes e experimentos para entender melhor sua física subjacente. Eles primeiro o examinaram usando métodos básicos de caracterização em massa, por exemplo, medindo sua suscetibilidade magnética e capacidade de calor até temperaturas muito baixas.

“Também conduzimos experimentos mais avançados, como dispersão inelástica de nêutrons e medições de relaxamento de spin de múons”, disse Wilson. "Todas essas sondas nos dizem um pouco sobre o que os momentos magnéticos no NaRuO2 fazem quando você esfria em direção ao seu estado fundamental, cada um em diferentes comprimentos e escalas de tempo. você esfria a temperaturas muito abaixo daquelas onde deveria, então você pode começar a pintar uma imagem de um estado fundamental quântico desordenado."