Cientistas vêm teorizando há décadas sobre a existência de um estado adicional da matéria, e até encontraram várias pistas de sua presença, mas seus detalhes permaneceram um mistério – até agora.

Um novo estudo detalha como os físicos foram finalmente capazes de ver o estado “líquido de spin quântico”, e os estranhos férmions que o acompanham.

Os pesquisadores dizem que esses férmions poderiam ter algumas aplicações na computação quântica. Eles têm propriedades que seriam úteis na realização de cálculos, reagindo de forma previsível a determinadas excitações de partícula.

Isso é o que podemos fazer com este novo estado quântico da matéria, além de começar a atualizar os livros didáticos – mas simplesmente conseguir vê-los já é um desafio incrível por si só.

Johannes Knolle, coautor do estudo, diz em comunicado: “este é um novo estado quântico da matéria que foi previsto, porém não foi visto antes… esta é uma nova adição a uma pequena lista de estados quânticos conhecidos da matéria”.

Novo estado da matéria

O líquido de spin quântico é uma fase na qual os elétrons se rompem e começam a se comportar de forma estranha.

Nós geralmente consideramos que elétrons são partículas fundamentais, isto é, indivisíveis em componentes menores. Mas as coisas ficam estranhas quando você o limita a apenas duas dimensões.

Num espaço bidimensional, a mecânica quântica permite que um elétron se divida em dois (ou três) componentes menores, cada um carregando uma fração da carga. É como se este sistema magnético imitasse o estado líquido da água.

Normalmente, os elétrons em um campo magnético se alinham quando a temperatura do material de aproxima do zero absoluto. Todos os polos magnéticos apontam na mesma direção – para o norte, por exemplo.

No entanto, isso não acontece com o líquido de spin quântico. Mesmo se esse material for resfriado ao zero absoluto, os elétrons não se alinham: em vez disso, eles formam uma sopa emaranhada causada por flutuações quânticas.

Isso acontece por causa dos “férmions de Majorana”, que surgem quando elétrons literalmente se rompem. Isso cria padrões estranhos tão difíceis de prever que, até este experimento, os cientistas não tinham nem certeza exatamente de como seriam esses padrões.

majorana fermion
Experimento da TU Delft detecta férmions de Majorana (amarelo) usando elétrons (verde). Imagem por TU Delft via Science

Estudo

Usando um material com estrutura semelhante ao grafeno, pesquisadores do Oak Ridge National Laboratory e da Universidade de Cambridge foram capazes de dar uma olhada nesse padrão.

Os cientistas testaram as propriedades magnéticas dos cristais de RuCl3 (cloreto de rutênio), iluminando-os com nêutrons e observando o padrão de ondulações que eles produziam.

Esta é a primeira evidência direta de um líquido de spin quântico, e também do rompimento de elétrons em um material bidimensional. O estudo foi publicado na revista Nature Materials.

O líquido de spin quântico foi teorizado pela primeira vez na década de 70. E em 2012, cientistas do MIT chegaram muito próximo de provar sua existência. Eles criaram em laboratório um mineral chamado herbertsmithita, que é um sólido cristalino mas tem estado magnético líquido.

[University of Cambridge]

Imagem: padrões formados após bombardear com nêutrons um material em estado líquido de spin quântico/Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory