Genevieve Martin / Oak Ridge National Laboratory
Cientistas descobriram provas experimentais de um novo estado da matéria chamado “quantum spin liquid”, confirmando uma teoria com 40 anos.
Uma equipa internacional encontrou provas de um misterioso novo estado de matéria, previsto há 40 anos pelos físicos teóricos, que leva os eletrões – que se pensava serem os blocos de construção indivisíveis da natureza – a partirem-se em quasipartículas chamadas fermiões de Majorana.
No novo estudo, publicado esta semana na Nature Materials, os cientistas trabalharam com alfa cloreto de ruténio (a-RuCl3), um material que forma uma estrutura bidimensional em forma de colmeia.
Os físicos encontraram este novo estado usando uma técnica chamada neutron scattering, bombardeando uma amostra de pó de alfa cloreto de ruténio com neutrões e observando o padrão que se forma.
Fermiões de Majorana
Em 1937, o físico italiano Ettore Majorana previu a existência de partículas virtuais bizarras, os fermiões de Majorana, que têm a curiosa característica de serem a sua própria anti-partícula.
Todos os eletrões tem uma propriedade magnética, o spin, que tem só duas posições possíveis: “up” e “down”. Em alguns estados da matéria, estes spins alinham-se perfeitamente, apontando todos para a mesma direção.
A maneira mais simples de chegar a este estado de spins alinhados é arrefecer um material. Quanto mais frio, mais alinhados ficam os spins. Mas num “líquido de spin quântico”, este alinhamento não existe e os eletrões ficam num estado de desordem – como num líquido.
Nesta confusão, não só os spins apontam para diferentes direções, como também interagem uns com os outros, o que faz com que os eletrões se comportem como frações de eletrões. Nomeadamente, comportam-se como uma quasipartícula estranha - o famoso fermião de Majorana.
“Quantum spin liquid”
Para observar os fermiões de Majorana, os cientistas bombardearam uma amostra de pó de alfa cloreto de ruténio com neutrões, e observaram o padrão formado pelos neutrões espalhados pelo material.
Se o alfa cloreto de ruténio estiver num estado típico, os neutrões teriam produzido um padrão de linhas nítidas.
No entanto, em 2014, um dos co-autores do atual estudo previu que um “líquido de spin quântico” poderia produzir um padrão de grandes curvas – que corresponde ao que os investigadores verificaram, de facto, com a nova experiência.
A descoberta deste novo estado da matéria com fermiões de Majorana pode ajudar os investigadores nas áreas de mecânica quântica, superssimetria e supercondutividade, e contribuir para a construção computadores quânticos.
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