Um novo e estranho estado quântico da matéria: líquidos de spin

Além dos estados da material que aprendemos na escolar, como sólido, líquido e gasoso, há alguns estados que só existem na mecânica quântica, e um deles foi descoberto recentemente.

  Com o nome “líquidos de spin”, ou seja, um agrupamento de partículas spin e sobreposições que conseguem forçar magnetismo e antimagnetismo existirem em milhões  de configurações diferentes.

Vale lembrar que o termo “líquido”, neste caso, é meio enganoso. Ele foi empregado aqui porque os líquidos com que estamos acostumados (água, por exemplo) são meio desorganizados se comparados com os sólidos, onde os átomos estão arranjados em formas mais específicas. Os líquidos de spin são uma forma de desordem magnética no nível quântico.

  O termo “spin” é usado nesse novo estado quântico de matéria porque, para que o magnetismo exista, é preciso que os átomos girem (“spin” significa “girar” em inglês, mas o termo não costuma ser traduzido para o português no campo da física quântica). O campo magnético ocorre quando todos os átomos de um determinado sistema giram na mesma direção.

  Claro que isso foi uma apresentação bem simplificada do conceito, mas o que precisamos entender agora é que imãs são, basicamente, objetos cujos átomos (que precisam ser muitos) giram na mesma direção. Seguindo essa lógica, é possível criar o antimagnetismo, ao combinar dois grupos de mesmo número de átomos girando em sentidos opostos, de maneira que um grupo cancele o outro. Alguns objetos, como supercondutores de alta temperatura, usam essa tecnologia.

Agora, vamos ao líquido spin. Imagine um sistema de apenas três átomos combinados de maneira a formar um triângulo equilátero. Se você quiser criar um campo magnético com eles, é só girá-los para cima ou para baixo. Mas se quiser criar um campo antimagnético, você não conseguirá girar dois grupos de mesmo número de átomos em direções, pois são três, e três não é um número par.

No mundo da física quântica, podemos encontrar uma solução para o problema ao fazer os átomos girarem em várias direções diferentes – algo conhecido como sobreposição, que gera vários valores simultâneos que, na média, resultem em um campo antimagnético.

Pesquisadores do Instituto da Articulação Quântica em College Park, Maryland, EUA, trabalharam no conceito e deram um passo além. Eles conceberam uma treliça de seis átomos que interagiam entre si de acordo com seus giros. Pode parecer que a presença de apenas seis átomos facilitada os cálculos, mas mesmo assim foi preciso considerar uma matriz de 155 milhões de possíveis entradas para cada átomo, com 30 pontos onde os giros poderiam ocorrer.

Foram criadas duas categorias pelos pesquisadores: a J1 e a J2. A J1 envolve as interações com os dois átomos mais próximos (como é um arranjo hexagonal, cada átomo está próximo de dois outros). A J2 envolve as interações com os outros três átomos. A força das interações entre os átomos na J1 e J2 era de uma variação muito grande, criando um caleidoscópio de fases.

Um momento em particular, quando o valor da J2 está entre 21% e 36% da J2, chamou a atenção dos pesquisadores. Nessa hora, há milhares de estados quânticos diferentes ocorrendo simultaneamente, e os giros começam a se comportar como se fossem partículas, e se desorganizam como moléculas de água líquida. E é daí que vem o termo “líquidos de spin”.

A utilidade prática da descoberta está nos supercondutores mencionados anteriormente, e pode haver ainda aplicações em equipamentos eletrônicos. De qualquer maneira, os líquidos de spin são amostras do quão misterioso ainda é o Universo, mesmo em escalas atômicas.  Parece uma ideia meio maluca, mas é possível experimentar com ela. Os pesquisadores observaram um sistema no zero absoluto (273,15 ºC negativos), onde qualquer atividade não-quântica para, ou seja, é uma temperatura que só existe no campo teórico. Mas é possível construir um sistema em temperaturas pouco acima do zero absoluto.

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