Um estranho novo estado quântico aparece quando os átomos ficam “frustrados”

Em pesquisa publicada em Materiais da Naturezaa equipe de Wilson descreve uma nova maneira de usar um fenômeno conhecido como frustração de ordem de longo alcance em um material para criar estados magnéticos não convencionais. Esses estados podem eventualmente ter relevância para as tecnologias quânticas. Wilson enfatizou que o trabalho se concentra na ciência básica, e não em aplicações imediatas. “Esta é uma ciência fundamental que visa abordar uma questão básica. O objetivo é investigar o que a física pode ser possível para dispositivos futuros.”

Seu estudo, intitulado “Frustração de títulos intercalados em um antiferromagneto de rede triangular”, examina como múltiplas formas de frustração podem surgir nesses sistemas. Um tipo importante é a frustração geométrica. Isso ocorre quando os momentos magnéticos em um material não conseguem se estabelecer em um único padrão estável e, em vez disso, permanecem em uma configuração flutuante.

Pequenos ímãs atômicos e geometria frustrada

Wilson explicou o magnetismo usando uma analogia simples. “Você pode pensar no magnetismo como sendo derivado de pequenas barras magnéticas situadas nos locais atômicos de uma rede cristalina”, disse ele. Esses minúsculos ímãs são chamados de momentos dipolares magnéticos. Dependendo da estrutura de um material, eles interagem entre si e se organizam de forma a minimizar sua energia ou, em outras palavras, atingir seu estado fundamental. O estado fundamental representa a configuração de energia mais baixa possível de um sistema, e na temperatura zero absoluto todo sistema existe neste estado.

Wilson continuou: “Se esses momentos magnéticos interagem de uma forma que deseja que apontem de forma antiparalela entre si, chamamos isso de antiferromagnetismo.” Num arranjo quadrado de átomos, essa interação funciona facilmente. Cada momento magnético pode apontar em direção oposta aos seus vizinhos, produzindo uma configuração estável.

No entanto, as coisas mudam quando os átomos formam um arranjo triangular. Nessa geometria, torna-se impossível que cada momento magnético aponte em direção oposta a todos os seus vizinhos ao mesmo tempo. Conforme descreveu Wilson, os momentos começam a competir entre si. Eles ficam efetivamente frustrados porque a geometria da rede os impede de alcançar o arranjo de energia mais baixo. O sistema tenta atingir o equilíbrio, mas não consegue fazê-lo totalmente devido à estrutura que ocupa.

Frustração de títulos e compartilhamento de elétrons

Um tipo semelhante de frustração pode ocorrer em outro aspecto dos elétrons. Em vez de envolver magnetismo, pode surgir da carga do elétron. Quando dois íons próximos tentam compartilhar um elétron através de uma ligação, eles podem formar o que os cientistas chamam de dímero atômico.

Assim como as interações magnéticas podem ser frustradas em certas estruturas de rede, esses dímeros também podem enfrentar restrições em geometrias como redes triangulares ou redes em favo de mel. O resultado pode ser uma rede de vínculos que é frustrada. Tal rede é muitas vezes muito sensível à tensão, e a aplicação de tensão pode aliviar parcialmente a frustração dentro do padrão de ligação.

O estudo de Wilson concentra-se em uma classe extremamente rara de materiais onde os dois tipos de frustração existem ao mesmo tempo. A frustração magnética e a frustração do vínculo aparecem juntas na mesma estrutura.

Acoplamento de dois sistemas frustrados

Wilson descreveu a descoberta como “emocionante” porque abre um caminho possível para controlar um sistema frustrado, influenciando o outro. Nos últimos seis ou sete anos, os cientistas aprenderam como criar estados magnéticos frustrados usando materiais construídos a partir de redes triangulares de lantanídeos, um grupo de elementos encontrados na linha inferior da tabela periódica.

“Em princípio, esta rede triangular de momentos lantanídeos adequadamente escolhidos pode causar o surgimento de um tipo especial de estado desordenado intrinsecamente quântico”, disse Wilson. O objetivo da equipe era desenvolver essa ideia. “Uma coisa que tentamos fazer neste projeto foi funcionalizar esse estado exótico, incorporando-o em uma rede cristalina que apresenta um grau adicional de frustração de ligação.”

Os pesquisadores sabem que o magnetismo quântico desordenado pode assumir diversas formas. Alguns desses estados podem suportar emaranhamento de longo alcance entre spins, que é um conceito-chave na ciência da informação quântica. Wilson explicou: “Alguns estados podem hospedar emaranhados de spins de longo alcance, o que é de interesse no domínio da informação quântica. Obter controle sobre esses estados através da aplicação de uma tensão na rede de títulos frustrados seria emocionante.”

Rumo ao controle dos estados quânticos

Quando dois sistemas frustrados existem juntos e são ambos altamente sensíveis a perturbações como deformações ou campos magnéticos, surge uma questão importante. Os cientistas querem saber se os dois sistemas podem influenciar um ao outro. Se uma camada for ordenada sob certas condições, isso poderá afetar também a outra camada.

“É uma forma de transmitir às coisas uma funcionalidade ou resposta a outras coisas às quais de outra forma não responderiam”, explicou Wilson. “Portanto, em princípio, é possível projetar grandes respostas ferroicas. Você pode aplicar um pouco de tensão, que induz ordem magnética, ou pode aplicar um pouco de campo magnético e induzir mudanças na estrutura.

“Novamente, em princípio, se você puder encontrar um estado fundamental quântico desordenado que hospede um emaranhado de longo alcance, a questão então será se você pode acessar esse emaranhado, por exemplo, acoplando-se a outra camada, como a frustração de títulos.”

Wilson também está interessado em saber se esta abordagem poderia levar ao surgimento conjunto de vários tipos de ordem. “Basicamente, você poderia ter diferentes tipos de ordem que seriam nucleadas devido à proximidade dessas duas redes frustradas”, disse ele. “Essa é a ideia geral.”