Uma pequena mudança de spin acabou de provocar um famoso efeito quântico

Um dos fenômenos coletivos mais importantes é o efeito Kondo. Ele descreve como os spins quânticos localizados interagem com os elétrons móveis em um material e desempenha um papel importante na formação do comportamento de muitos sistemas quânticos.

Por que estudar o efeito Kondo é tão difícil

Em materiais reais, isolar a física central do efeito Kondo não é fácil. Os elétrons não carregam apenas spin. Eles também se movem através do material e ocupam orbitais diferentes, introduzindo movimento de carga e graus de liberdade adicionais. Quando todos esses efeitos ocorrem ao mesmo tempo, torna-se difícil separar as interações de spin que impulsionam o efeito Kondo de tudo o mais que acontece no sistema.

Para abordar esta complexidade, os físicos há muito confiam em modelos teóricos simplificados. Um dos mais influentes é o modelo de colar Kondo, lançado em 1977 por Sebastian Doniach. Este modelo remove o movimento dos elétrons e os efeitos orbitais, deixando para trás um sistema feito inteiramente de spins interativos. Embora tenha sido amplamente visto como uma estrutura poderosa para explorar novos estados quânticos, realizá-lo experimentalmente permaneceu um desafio em aberto por quase cinquenta anos.

O tamanho do spin altera o comportamento quântico

Uma questão fundamental persiste há décadas. O efeito Kondo se comporta da mesma maneira para todos os tamanhos de spin ou a alteração do tamanho do spin localizado altera o resultado? Responder a esta pergunta é fundamental para uma compreensão mais ampla dos materiais quânticos.

Uma equipe de pesquisa liderada pelo professor associado Hironori Yamaguchi, da Escola de Pós-Graduação em Ciências da Universidade Metropolitana de Osaka, forneceu agora uma resposta. A equipe criou um novo tipo de colar Kondo usando um material híbrido orgânico inorgânico cuidadosamente projetado, feito de radicais orgânicos e íons de níquel. Este design preciso foi alcançado usando RaX-D, uma estrutura de design molecular que permite um controle preciso sobre a estrutura cristalina e as interações magnéticas.

Do giro meio ao giro um

Os pesquisadores já haviam conseguido construir um colar Kondo spin-1/2. Em seu trabalho mais recente, eles ampliaram o sistema aumentando o spin localizado (spin decolado) de 1/2 para 1. Medições termodinâmicas revelaram uma clara transição de fase, mostrando que o sistema entrou em um estado magneticamente ordenado.

A análise quântica detalhada explicou a origem dessa mudança. O acoplamento Kondo cria uma interação magnética eficaz entre os momentos de spin-1, que estabiliza a ordem magnética de longo alcance em todo o material.

Desafiando uma visão de longa data do magnetismo

Por muitos anos, pensou-se que o efeito Kondo suprimia principalmente o magnetismo, bloqueando os spins em singletos, um estado de emaranhamento máximo com spin total zero. Os novos resultados derrubam esse quadro tradicional. Quando o spin localizado excede 1/2, a mesma interação de Kondo não enfraquece mais o magnetismo. Em vez disso, promove ativamente a ordem magnética.

Ao comparar diretamente os sistemas spin-1/2 e spin-1 dentro de uma plataforma limpa somente de spin, os pesquisadores identificaram um limite quântico claro. O efeito Kondo sempre forma singletos locais para momentos de spin 1/2, mas estabiliza a ordem magnética para spin 1 e superiores.

Este trabalho fornece a primeira evidência experimental direta de que o papel do efeito Kondo depende fundamentalmente do tamanho do spin.

Implicações para materiais e tecnologia quântica

“A descoberta de um princípio quântico dependente do tamanho do spin no efeito Kondo abre uma nova área de pesquisa em materiais quânticos”, disse Yamaguchi. “A capacidade de alternar estados quânticos entre regimes não magnéticos e magnéticos, controlando o tamanho do spin, representa uma estratégia de design poderosa para materiais quânticos de próxima geração.”

Mostrar que o efeito Kondo pode operar de maneiras opostas dependendo do tamanho do spin oferece uma nova perspectiva sobre a matéria quântica e estabelece uma nova base conceitual para o projeto de dispositivos quânticos baseados em spin.

Ser capaz de controlar se uma rede Kondo se torna magnética ou não magnética é especialmente importante para futuras tecnologias quânticas. Esse controle poderia influenciar propriedades importantes, como emaranhamento, ruído magnético e comportamento crítico quântico. Os investigadores esperam que as suas descobertas orientem o desenvolvimento de novos materiais quânticos e, eventualmente, contribuam para tecnologias emergentes, incluindo dispositivos de informação quântica e computação quântica.