Pesquisadores sul-coreanos fizeram uma descoberta inovadora ao observar diretamente quadrupolos de spin em uma fase spin-nemática usando técnicas avançadas de raios-X e ópticas. Esta conquista no estudo do Sr2IrO4 abre novas possibilidades na computação quântica e na pesquisa de supercondutividade em alta temperatura.
A “fase spin-nemática”, um análogo magnético do cristal líquido, foi observada pela primeira vez em um sistema quântico de spin.
O cristal líquido representa um estado único da matéria, combinando características de líquidos e sólidos. Possui a capacidade de fluir de forma semelhante a um líquido, mas suas moléculas mantêm um alinhamento semelhante ao encontrado nos sólidos. O cristal líquido é amplamente utilizado hoje em dia, por exemplo, como elemento central de dispositivos LCD. O análogo magnético deste tipo de material é apelidado de “fase spin-nemática”, onde os momentos de spin desempenham o papel das moléculas.
No entanto, ainda não foi observado diretamente, apesar da sua previsão há meio século. O principal desafio decorre do fato de que a maioria das técnicas experimentais convencionais são insensíveis a girar quadrupolosque são as características definidoras desta fase spin-nemática.
Avanço na observação da fase Spin-Nematic
Mas agora, pela primeira vez no mundo, uma equipe de pesquisadores liderada pelo professor Kim Bumjoon, do Centro IBS para Sistemas Eletrônicos Artificiais de Baixa Dimensão, na Coreia do Sul, conseguiu observar diretamente quadrupolos de spin. Este trabalho foi possível graças a conquistas notáveis nas últimas décadas no desenvolvimento de instalações síncrotron.
Gire meio momento em uma rede quadrada. Além da ordem antiferromagnética clássica (AF clássica), os momentos de spin podem ter vários estados magnéticos fundamentais, como superposição de configurações de spin-singuleto (ligação de valência ressonante; RVB) ou antiferromagneto com grandes flutuações quânticas (AF quântica). No óxido de irídio Sr2IrO4, os momentos de spin quadrupolo coexistem com uma ordem antiferromagneta inclinada. Crédito: Instituto de Ciências Básicas
Os pesquisadores do IBS concentraram seu estudo no óxido de irídio de rede quadrada Sr2IrO4, um material anteriormente reconhecido por sua ordem dipolar antiferromagnética em baixas temperaturas. Este estudo descobriu recentemente a coexistência de uma ordem quadrupolar de spin, que se torna observável através de sua interferência com a ordem magnética. Este sinal de interferência foi detectado por ‘difração de raios X ressonante circular-dicróica’, uma técnica avançada de raios X que emprega um feixe de raios X circularmente polarizado.
Técnicas Avançadas e Colaborações
Uma verificação adicional desta descoberta veio através do ‘espalhamento inelástico ressonante de raios X resolvido por polarização’, onde as excitações magnéticas foram reveladas como desviando-se significativamente dos comportamentos previstos para aqueles em
Interferência dipolo-quadrupolo na difração ressonante dicróica circular de raios X. (a) Os momentos de spin quadrupolo são formados a uma temperatura mais alta (263 K) do que os momentos magnéticos (230 K). (b, c) Em baixas temperaturas, a interferência entre o quadrupolo de spin e os momentos magnéticos é manifestada pela difração ressonante circular de raios X dicróica, uma diferença de sinal magnético entre feixes de raios X destros e canhotos. Crédito: Instituto de Ciências Básicas
ímãs convencionais. Para a conclusão desses experimentos, os pesquisadores da Coreia do Sul colaboraram com o Laboratório Nacional Argonne, nos EUA, para construir uma linha de luz ressonante e inelástica de espalhamento de raios X no Laboratório do Acelerador de Pohang nos últimos quatro anos.
Por último, mas não menos importante, os pesquisadores usaram uma série de técnicas ópticas, incluindo espectroscopia Raman e medição do efeito magneto-óptico Kerr, para mostrar que a formação dos momentos de spin quadrupolo ocorre em temperaturas mais altas do que a ordem magnética. Dentro desta faixa de temperatura, o óxido de irídio possui apenas momentos de spin quadrupolo, mas nenhuma ordem magnética, realizando uma fase spin-nemática.
Em conjunto, esta é a primeira observação direta dos momentos de spin quadrupolo em uma fase spin-nemática.
(a, b) Desenho (a) e fotografia (b) do espectrômetro de espalhamento inelástico ressonante de raios X instalado na linha de luz 1C do PLS-II. Crédito: Instituto de Ciências Básicas
“Esta pesquisa foi viável porque a infraestrutura e as capacidades dos experimentos de raios X na Coreia do Sul atingiram um nível competitivo global”, diz o Prof. Kim Bumjoon, autor correspondente deste estudo.
“A descoberta da fase spin-nemática também tem implicações significativas para Computação quântica e tecnologias de informação”, acrescenta o Prof. Cho Gil Young, coautor deste estudo e professor da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang.
Outro aspecto interessante da fase spin-nemática é o seu potencial para supercondutividade em alta temperatura. Na fase spin-nemática, os spins são altamente emaranhados, o que foi sugerido pelo físico PW Anderson como um ingrediente chave para a supercondutividade em alta temperatura. Além disso, dado que o óxido de irídio Sr2IrO4 tem sido extensivamente estudado devido às suas impressionantes semelhanças com o sistema supercondutor de alta temperatura de óxido de cobre, o que alimenta um interesse crescente neste material como um sistema supercondutor de alta temperatura potencialmente novo, bem como sua relação com a fase spin-nemática.
Referência: “Fase nemática de spin quântico em um iridato de rede quadrada” por Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, Junyoung Kwon, Jimin Kim, Hyun-Woo J. Kim, Seunghyeok Ha, Kwangrae Kim, Wonjun Lee, Jonghwan Kim, Gil Young Cho, Hyeokjun Heo, Joonho Jang, CJ Sahle, A. Longo, J. Strempfer, G. Fabbris, Y. Choi, D. Haskel, Jungho Kim, J. -W. Kim e BJ Kim, 13 de dezembro de 2023, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-023-06829-4
O estudo foi financiado pelo Instituto de Ciências Básicas.
