Nova Fase de ‘Fogo e Gelo’ da Matéria Descoberta em um Ímã

Crédito: Pixabay

Um estado da matéria recém-descoberto surgiu dentro de uma fase exótica previamente identificada em um composto magnético.

Em 2016, os físicos Weiguo Yin, Christopher Roth e Alexei Tsvelik do Brookhaven National Laboratory identificaram uma fase de estado de spin única “meio fogo, meio gelo” em Sr₃CuIrO₆, um composto de estrôncio, cobre, irídio e oxigênio. Agora, eles descobriram seu oposto — uma fase “meio gelo, meio fogo”, onde elétrons em duas estruturas distintas trocam comportamentos.

No cerne dessa descoberta está a frustração, um conceito que descreve como partículas vizinhas interagem. Uma única mudança pode desencadear uma mudança de fase em cascata, remodelando o sistema. Na fase meio fogo, meio gelo, os spins dos átomos de cobre permanecem desordenados, assemelhando-se a chamas bruxuleantes, enquanto os spins de irídio permanecem congelados, fortalecendo sua atração magnética.

Matematicamente, mudar essa formação parecia impossível. No entanto, os pesquisadores identificaram uma transição chave dependente da temperatura que inverte o estado completamente. Essa reversibilidade é um avanço, desbloqueando o potencial do Sr₃CuIrO₆ para computação quântica e microeletrônica.

Desbloqueando Estados Exóticos: um Caminho para a Computação Quântica e a Spintrônica

“Encontrar novos estados com propriedades exóticas — e entender como controlar suas transições — são desafios fundamentais na física da matéria condensada e na ciência dos materiais”, explica Yin. “Resolver esses problemas pode promover tecnologias como a computação quântica e a spintrônica.”

Materiais magnéticos existem em diferentes formas. Em ferromagnetos como o ferro, todos os spins de partículas se alinham na mesma direção. Ferrimagnetos, como Sr₃CuIrO₆, contêm dois estados de spin distintos. A pesquisa de 2024 da equipe expande seu trabalho de 2016, revelando que um campo magnético externo pode induzir a fase meio fogo, meio gelo. Nesse estado, os spins de cobre se tornam caóticos, enquanto os spins de irídio se alinham rigidamente.

Embora intrigante, essa fase por si só ofereceu pouco uso prático. Qubits, os blocos de construção da computação quântica, dependem de estados de spin de elétrons para representar valores binários. Mais importante, qubits ajustáveis ​​— aqueles cujos spins podem ser controlados — são altamente desejáveis.

“Apesar da extensa pesquisa, não sabíamos como utilizar esse estado”, explica Tsvelik. “Por mais de um século, o modelo de Ising unidimensional — um modelo matemático fundamental do ferromagnetismo — foi considerado incapaz de hospedar uma transição de fase de temperatura finita. Estávamos perdendo peças-chave do quebra-cabeça.”

Um gráfico demonstrando a mudança no campo de entropia magnética (h) com a mudança de temperatura (T). (Laboratório Nacional de Brookhaven)

Revelando o Gêmeo Oculto: a Fase Meio Gelo, Meio Fogo Emerge

A peça que faltava era um estado gêmeo oculto. Dentro de uma estreita faixa de temperatura, os pesquisadores descobriram que os spins de cobre se tornam ordenados enquanto os spins de irídio caem em desordem, criando a fase meio gelo, meio fogo.

Esta descoberta não apenas revela uma nova classe de fases ocultas, mas também permite controle preciso sobre transições de fase, desbloqueando potenciais aplicações quânticas. No entanto, ainda há mais trabalho a ser feito.

“A seguir, exploraremos este fenômeno fogo-gelo em sistemas com spins quânticos e graus de liberdade adicionais de rede, carga e orbitais”, diz Yin. “Novas possibilidades estão agora abertas.”

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