Através de experimentos na fonte de nêutrons BER II e seu ímã de alto campo, os pesquisadores descobriram novos estados quânticos no material SrCu2(BO3)2 sob campos magnéticos extremos. Identificando uma fase spin-nemática que se assemelha à condensação de pares bosônicos de Cooper, este estudo enfatiza a utilidade do espalhamento de nêutrons na exploração de aspectos desconhecidos de materiais quânticos, oferecendo insights sobre sistemas complexos de muitos corpos sob condições de forte frustração. Crédito: SciTechDaily.com
Novos estados de ordem podem surgir em materiais magnéticos quânticos sob campos magnéticos. Uma equipa internacional obteve agora novos conhecimentos sobre estes estados especiais da matéria através de experiências na fonte de neutrões de Berlim BER II e no seu íman de alto campo. O BER II serviu à ciência até ao final de 2019 e desde então foi encerrado. Os resultados dos dados do BER II ainda estão a ser publicados.
“Medimos em novembro de 2019, nosso experimento foi um dos últimos realizados no High-Field Magnet no BER”, ressalta a Dra. Ellen Fogh. O físico lidera uma equipe no Laboratório de Magnetismo Quântico da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) e publicou agora novos insights intrigantes sobre materiais quânticos obtidos em colaboração com colegas do Japão, Catar e Suíça.
“Muitos efeitos na matéria só se tornam visíveis sob condições extremas, ou seja, temperaturas próximas de zero Kelvin e campos magnéticos acima de 20 Tesla”, diz ela. O local perfeito para examinar estes efeitos foi na fonte de neutrões BER II, onde uma equipa do HZB montou um íman de alto campo único, atingindo quase 26 Teslas.
Ilustração esquemática de uma rede de spin 2D com orientação ortogonal de pares de spin. O par encadernado de magnons é representado pelos cata-ventos vermelho/azul e verde. Crédito: EPFL
Desafios na interpretação de dados
“A avaliação demorou muito”, diz ela. Isto ocorre porque os dados de dispersão de nêutrons não fornecem automaticamente uma imagem, mas precisam ser interpretados. Isto requer modelos teóricos convincentes. “Jogamos pingue-pongue com uma equipe de teóricos, mas agora temos resultados muito interessantes.”
Fogh e equipe analisaram amostras de SrCu2(BO3)2 — um sistema modelo para frustração ideal em um sistema de spin bidimensional (2D). Consiste em pares de spin dispostos ortogonalmente em uma rede quadrada e que influenciam uns aos outros de maneiras diferentes. Esta geometria “idealmente frustrada” leva a muitos efeitos não convencionais, que são descritos em termos de estados quânticos emaranhados e suas excitações (magnons). A ordem magnética em tais materiais é geralmente descrita como Condensação de Bose-Einstein (BEC) de magnons.
Físicos em frente ao ímã de alto campo no BER II durante uma das últimas medições. Alguns membros da equipe não contribuíram para este artigo (pressão ambiental), mas para uma próxima publicação sobre o comportamento do sistema modelo sob alta pressão. Nomes da esquerda para a direita: Koji Munakata, Kazuhisa Kakurai, Gaétan Giriat, Luc Testa, Jana Pásztorová, Ellen Fogh e Henrik M. Rønnow. Crédito: EPFL/HZB
“Queríamos descobrir se este magnon BEC também ocorre em nosso sistema modelo em campos magnéticos elevados, ou se existe um mecanismo alternativo”, diz Fogh. O experimento de espalhamento de nêutrons no High-Field Magnet do BER II foi idealmente adequado para este propósito: “Fomos capazes de medir excitações de spin de SrCu2(BO3)2 até 25,9 T e reproduzir os espectros experimentais com alta precisão usando modelos teóricos.” Os experimentos ocorreram à pressão ambiente e temperaturas próximas a zero absolutoa 200 milikelvin.
A análise e interpretação dos dados de medição mostram que uma fase spin-nemática é formada sob estes campos magnéticos extremamente elevados. No lugar de magnons únicos, são pares de magnons que se condensam nesta fase. Existe até uma analogia com a supercondutividade, sugerindo que a fase spin-nemática em SrCu2(BO3)2 é melhor entendido como um condensado de pares bosônicos de Cooper.
Os resultados mostram que experimentos de espalhamento de nêutrons em campos magnéticos extremamente elevados podem ser usados para explorar regiões da matéria até então desconhecidas, em particular fases correlacionadas de sistemas de muitos corpos. “Sob condições de forte frustração e extremos controlados, muitos novos estados e ordens ainda podem ser encontrados”, conclui Fogh.
Referência: “Condensação de estado ligado induzida por campo e fase spin-nemática em SrCu2(BO3)2 revelada por espalhamento de nêutrons até 25,9 T” por Ellen Fogh, Mithilesh Nayak, Oleksandr Prokhnenko, Maciej Bartkowiak, Koji Munakata, Jian-Rui Soh , Alexandra A. Turrini, Mohamed E. Zayed, Ekaterina Pomjakushina, Hiroshi Kageyama, Hiroyuki Nojiri, Kazuhisa Kakurai, Bruce Normand, Frederick Mila e Henrik M. Rønnow, 10 de janeiro de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-023-44115-z
