Triplons complicados: cientistas criam ímã quântico artificial com quasipartículas feitas de elétrons emaranhados

By Aalto University 23 de agosto de 2023

A ilustração artística retrata excitações magnéticas de moléculas de cobalto-ftalocianina, onde elétrons emaranhados se propagam em triplões. Crédito: José Lado/Universidade Aalto

Grupo de pesquisa detecta uma onda de emaranhamento quântico pela primeira vez usando medições no espaço real.

Triplons são pequenas coisas complicadas. Experimentalmente, eles são extremamente difíceis de observar. E mesmo assim, os pesquisadores costumam realizar testes em materiais macroscópicos, nos quais as medições são expressas como uma média de toda a amostra.

That’s where designer quantum materials offer a unique advantage, says Academy Research Fellow Robert Drost, the first author of a paper published on August 22 in the journal Physical Review LettersPhysical Review Letters (PRL) is a peer-reviewed scientific journal published by the American Physical Society. It is one of the most prestigious and influential journals in physics, with a high impact factor and a reputation for publishing groundbreaking research in all areas of physics, from particle physics to condensed matter physics and beyond. PRL is known for its rigorous standards and short article format, with a maximum length of four pages, making it an important venue for rapid communication of new findings and ideas in the physics community." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Cartas de revisão física. Esses materiais quânticos projetados permitem que os pesquisadores criem fenômenos não encontrados em compostos naturais, permitindo, em última análise, a realização de excitações quânticas exóticas.

“Esses materiais são muito complexos. Eles oferecem uma física muito emocionante, mas os mais exóticos também são difíceis de encontrar e estudar. Portanto, estamos tentando uma abordagem diferente aqui, construindo um material artificial usando componentes individuais”, diz o professor Peter Liljeroth, chefe do grupo de pesquisa em física em escala atômica da Universidade Aalto.

Os materiais quânticos são governados pelas interações entre os elétrons no nível microscópico. Essas correlações eletrônicas levam a fenômenos incomuns, como supercondutividade em alta temperatura ou estados magnéticos complexos, e as correlações quânticas dão origem a novos estados eletrônicos.

No caso de dois elétrons, existem dois estados emaranhados conhecidos como estados singleto e triplo. Fornecer energia ao sistema eletrônico pode excitá-lo do estado singleto para o estado tripleto. Em alguns casos, esta excitação pode propagar-se através de um material numa onda de emaranhamento conhecida como triplon. Essas excitações não estão presentes em materiais magnéticos convencionais, e medi-las permanece um desafio em aberto em materiais quânticos.

No novo estudo, a equipe usou pequenas moléculas orgânicas para criar um material quântico artificial com propriedades magnéticas incomuns. Cada uma das moléculas de cobalto-ftalocianina usadas no experimento contém dois elétrons de fronteira.

“Usando blocos de construção moleculares muito simples, somos capazes de projetar e sondar este complexo ímã quântico de uma forma que nunca foi feita antes, revelando fenômenos não encontrados em suas partes independentes”, diz Drost. “Embora excitações magnéticas em átomos isolados tenham sido observadas há muito tempo usando espectroscopia de varredura por tunelamento, isso nunca foi conseguido com triplons de propagação.”

“Usamos essas moléculas para agrupar elétrons, embalamo-los em um espaço apertado e os forçamos a interagir”, continua Drost. “Olhando para essa molécula de fora, veremos a física conjunta de ambos os elétrons. Como o nosso bloco de construção fundamental contém agora dois eletrões, em vez de um, vemos um tipo de física muito diferente.”

A equipe monitorou as excitações magnéticas primeiro em moléculas individuais de cobalto-ftalocianina e mais tarde em estruturas maiores, como cadeias moleculares e ilhas. Começando com o que é muito simples e trabalhando no sentido de aumentar a complexidade, os pesquisadores esperam compreender o comportamento emergente em materiais quânticos. No presente estudo, a equipe conseguiu demonstrar que as excitações singleto-tripleto de seus blocos de construção podem atravessar redes moleculares como quasipartículas magnéticas exóticas conhecidas como triplons.