Pesquisadores da Universidade de Princeton fizeram um avanço na compreensão do magnetismo cinético usando átomos ultrafrios em uma rede construída a laser para criar imagens de um novo tipo de polaron, revelando como o movimento de impurezas em uma matriz atômica causa magnetismo robusto em altas temperaturas. Crédito: SciTechDaily.com
A equipe de pesquisa obteve imagens diretas do objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron.
Nem todos os ímãs são iguais. Quando pensamos em magnetismo, muitas vezes pensamos em ímãs que grudam na porta de uma geladeira. Para esses tipos de ímãs, as interações eletrônicas que dão origem ao magnetismo são compreendidas há cerca de um século, desde os primórdios da mecânica quântica. Mas existem muitas formas diferentes de magnetismo na natureza e os cientistas ainda estão a descobrir os mecanismos que as impulsionam.
Agora, físicos de Universidade de Princeton fizeram um grande avanço na compreensão de uma forma de magnetismo conhecida como magnetismo cinético, usando átomos ultrafrios ligados em uma rede artificial construída a laser. Seus experimentos, narrados em um artigo publicado esta semana na revista Naturezapermitiu aos pesquisadores obter imagens diretas do objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron, ou quasipartícula que emerge em um sistema quântico em interação.
Compreendendo o magnetismo cinético
“Isso é muito emocionante”, disse Waseem Bakr, professor de física em Princeton e autor sênior do artigo. “As origens do magnetismo têm a ver com o movimento das impurezas na matriz atômica, daí o nome cinético magnetismo. Este movimento é altamente incomum e leva a um magnetismo robusto mesmo em temperaturas muito altas. Combinado com a sintonização do magnetismo com dopagem – a adição ou remoção de partículas – o magnetismo cinético é muito promissor para aplicações de dispositivos em materiais reais.”
Bakr e sua equipe estudaram esta nova forma de magnetismo com um nível de detalhe não alcançado em pesquisas anteriores. Com o controle proporcionado pelos sistemas atômicos ultrafrios, os pesquisadores conseguiram visualizar, pela primeira vez, a física refinada que dá origem ao magnetismo cinético.
Pesquisadores de Princeton visualizaram diretamente as origens microscópicas de um novo tipo de magnetismo. Crédito: Max Prichard, grupo Waseem Bakr na Universidade de Princeton
Ferramentas avançadas para descobertas quânticas
“Temos a capacidade em nosso laboratório de analisar este sistema em um único átomo e nível de local único na rede e tirar ‘instantâneos’ das sutis correlações quânticas entre as partículas no sistema”, disse Bakr.
Durante vários anos, Bakr e sua equipe de pesquisa estudaram estados quânticos fazendo experiências com partículas subatômicas ultrafrias conhecidas como férmions em uma câmara de vácuo. Eles desenvolveram um aparelho sofisticado que resfria átomos a temperaturas ultrafrias e os carrega em cristais artificiais conhecidos como redes ópticas criadas com feixes de laser. Este sistema permitiu aos pesquisadores explorar muitos aspectos interessantes do mundo quântico envolvendo o comportamento emergente de conjuntos de partículas em interação.
Fundamentos Teóricos e Insights Experimentais
Um dos primeiros mecanismos teoricamente propostos para o magnetismo que lançou as bases para os experimentos atuais da equipe é conhecido como ferromagnetismo de Nagaoka, nomeado em homenagem ao seu descobridor Yosuke Nagaoka. Ferromagnetos são aqueles em que os estados de spin dos elétrons apontam todos na mesma direção.
Embora um ferromagneto com spins alinhados seja o tipo mais familiar de ímã, no cenário teórico mais simples, elétrons que interagem fortemente em uma rede tendem, na verdade, ao antiferromagnetismo, no qual os spins se alinham em direções alternadas. Esta preferência pelo anti-alinhamento de spins vizinhos ocorre como resultado de um acoplamento indireto de spins de elétrons vizinhos conhecido como supertroca.
No entanto, Nagaoka teorizou que o ferromagnetismo também pode resultar de um mecanismo totalmente diferente, determinado pelo movimento de impurezas ou dopantes adicionados intencionalmente. Isto pode ser melhor entendido imaginando uma rede quadrada bidimensional na qual cada sítio da rede, com uma exceção, é ocupado por um elétron. O local desocupado (ou buraco dopante) vagueia pela rede.
Nagaoka descobriu que se o buraco se move em um ambiente de spins alinhados ou em um ferromagneto, as diferentes trajetórias para o movimento do buraco interferem mecanicamente entre si. Isto aumenta a propagação da posição quântica do buraco e reduz a energia cinética, um resultado favorável.
O Legado de Nagaoka e a Mecânica Quântica Moderna
O teorema de Nagaoka rapidamente ganhou reconhecimento porque existem poucas provas rigorosas que pretendem explicar os estados fundamentais de sistemas de elétrons em forte interação. Mas observar as consequências através de experiências representou um desafio difícil devido aos requisitos rigorosos do modelo. No teorema, as interações precisavam ser infinitamente fortes e apenas um único dopante era permitido. Mais de cinco décadas depois de Nagaoka ter proposto a sua teoria, outros investigadores perceberam que estas condições irrealistas poderiam ser relaxadas significativamente em redes com geometria triangular.
O experimento quântico e suas implicações
Para conduzir o experimento, os pesquisadores usaram vapores de átomos de lítio-6. Este isótopo de lítio contém três elétrons, três prótons e três nêutrons. “O número total ímpar torna este um isótopo fermiónico, o que significa que os átomos se comportam de forma semelhante aos electrões num sistema de estado sólido”, disse Benjamin Spar, estudante de pós-graduação em física na Universidade de Princeton e co-autor principal do artigo.
Quando esses gases são resfriados usando raios laser a temperaturas extremas apenas alguns bilionésimos de grau acima zero absolutoseu comportamento começa a ser governado pelos princípios da mecânica quântica, em vez da mecânica clássica mais familiar.
Explorando estados quânticos por meio de configurações de átomos frios
“Depois de alcançarmos esse sistema quântico, a próxima coisa que faremos é carregar os átomos na rede óptica triangular. Na configuração do átomo frio, podemos controlar a rapidez com que os átomos se movem ou a intensidade com que interagem entre si”, disse Spar.
Em muitos sistemas de interação forte, as partículas em uma rede são organizadas em um “isolante de Mott”, que é um estado da matéria no qual uma única partícula ocupa cada local da rede. Neste estado, existem interações antiferromagnéticas fracas devido à supertroca entre o spin dos elétrons em locais vizinhos. Mas em vez de usar um isolador Mott, os pesquisadores usaram uma técnica chamada “doping”, que remove algumas partículas, deixando assim “buracos” na rede, ou adiciona partículas extras.
Revelando novas formas de magnetismo quântico
“Não começamos com um átomo por local em nosso experimento”, disse Bakr. “Em vez disso, dopamos a rede com buracos ou partículas. E quando você faz isso, você descobre que existe uma forma de magnetismo muito mais robusta que é observada nesses sistemas com escala de energia mais alta do que o magnetismo de supertroca usual. Esta escala de energia tem a ver com o salto dos átomos na rede.”
Aproveitando os espaçamentos muito maiores entre locais de rede em redes ópticas em comparação com materiais reais, os pesquisadores foram capazes de ver o que estava ocorrendo no nível de local único com um microscópio óptico. Eles descobriram que os objetos responsáveis por esta nova forma de magnetismo são um novo tipo de polaron magnético.
O papel dos polarons nos sistemas quânticos
“Um polaron é uma quasipartícula que emerge em um sistema quântico com muitos constituintes interagindo”, disse Bakr. “Ela age de forma muito semelhante a uma partícula normal, no sentido de que tem propriedades como carga, spin e massa efetiva, mas não é uma partícula real como um átomo. Neste caso, é um dopante que se move com uma perturbação no seu ambiente magnético, ou como as rotações em torno dele estão alinhadas umas em relação às outras.”
Em materiais reais, esta nova forma de magnetismo já havia sido observada nos chamados materiais moiré, constituídos por cristais bidimensionais empilhados, e isso só ocorreu no ano passado.
Investigando mais profundamente o magnetismo quântico
“As sondas de magnetismo disponíveis para estes materiais são limitadas. Experimentos com materiais moiré mediram efeitos macroscópicos, associados à forma como um grande pedaço de material responde quando um campo magnético é aplicado”, disse Spar. “Com a configuração do átomo frio, podemos nos aprofundar na física microscópica responsável pelo magnetismo. Tiramos imagens detalhadas revelando as correlações de spin em torno dos dopantes móveis. Por exemplo, descobrimos que um dopante de buraco se cerca de spins anti-alinhados à medida que se move, enquanto um dopante de partícula faz o oposto, cercando-se de spins alinhados.”
Esta pesquisa tem implicações de longo alcance na física da matéria condensada, além da compreensão da física do magnetismo. Por exemplo, foi levantada a hipótese de que versões mais complexas desses polarons levam a mecanismos para o emparelhamento de dopantes de buracos, o que pode resultar em supercondutividade em altas temperaturas.
Direções Futuras na Pesquisa de Magnetismo Quântico
“A parte mais interessante desta pesquisa é que ela realmente coincide com estudos na comunidade da matéria condensada”, disse Max Prichard, estudante de graduação e co-autor principal do artigo. “Estamos em uma posição única para fornecer insights sobre um problema oportuno de um ângulo totalmente diferente, e todas as partes se beneficiam.”
Olhando para o futuro, os investigadores já estão a conceber formas novas e inovadoras de investigar mais detalhadamente esta nova e exótica forma de magnetismo – e investigar o spin polaron com maior detalhe.
Próximas etapas na pesquisa Polaron
“Nesta primeira experiência, simplesmente tiramos fotos do polaron, o que é apenas o primeiro passo”, disse Prichard. “Mas agora estamos interessados em fazer uma medição espectroscópica dos polarons. Queremos ver quanto tempo os polarons vivem no sistema em interação, para medir a energia que une os constituintes de um polaron e sua massa efetiva à medida que se propaga na rede. Há muito mais a fazer.”
Outros membros da equipe são Zoe Yan, agora no Universidade de Chicago, e os teóricos Ivan Morera, Universidade de Barcelona, Espanha, e Eugene Demler, Instituto de Física Teórica de Zurique, Suíça. O trabalho experimental foi apoiado pela National Science Foundation, pelo Army Research Office e pela David and Lucile Packard Foundation.
Referência: “Imagem direta de polarons de spin em um sistema Hubbard cineticamente frustrado” por Max L. Prichard, Benjamin M. Spar, Ivan Morera, Eugene Demler, Zoe Z. Yan e Waseem S. Bakr, 8 de maio de 2024, Natureza.
DOI: 10.1038/s41586-024-07356-6
