Pesquisadores conseguiram imitar um dos fenômenos mais misteriosos da Física Quântica – um estranho estado magnético “sintético” que anteriormente só tinha sido visto em materiais sólidos difíceis de serem estudados.
Isso significa que a equipe pode finalmente criar um modelo experimental para testar o comportamento do estado, que poderia desempenhar um papel importante no desenvolvimento de computadores quânticos e dispositivos spintrônicos super rápidos.
A equipe pode modelar este estado magnético sintético a partir de um pulso de disparo atômico que geralmente é utilizado para manter um tempo mais preciso, graças aos lasers que isolam os átomos e que usam seus elétrons para funcionamento. Neste caso, o impulso dos átomos confinados ocorreu em razão de um efeito chamado túnel quântico, que serviu de modelo para a interação spin-órbita geralmente vista em elétrons de sólidos cristalinos.
Os sólidos cristalinos são um tipo de “sólidos verdadeiros”, que têm seus átomos ou moléculas ordenados de forma simétrica e repetitiva. Minerais de estrutura cúbica, como os diamantes, são considerados sólidos cristalinos, bem como os metais, como o ouro.
Em uma escala macro, temos uma boa compreensão de como tais materiais funcionam. No entanto, em escala quântica, quando olhamos individualmente para cada átomo, eles exibem algumas propriedades estranhas.
Um deles é um tipo de comportamento estranho conhecido como acoplamento spin-órbita, onde os elétrons individuais se comportam como se eles possuem propriedades magnéticas. Se os cientistas podem entender como isso funciona e como aproveitar essa capacidade, ele poderia ajudá-los a criar melhores materiais quânticos para computadores e eletrônicos super rápidos.
O acoplamento spin-órbita é onde a rotação de um elétron (a direção de seu momento) é travada em sua órbita em torno do núcleo, e cria todo o tipo de efeitos estranhos e úteis, tais como uma força magnética fraca.
Este fenômeno é uma das características mais importantes dos materiais topológicos – materiais estranhos que conduzem a eletricidade na superfície, mas atuam como isolantes no interior, e foram homenageados no Prêmio Nobel deste ano.
Materiais topológicos são tão fascinantes para os cientistas porque eles poderiam ser usados para criar dispositivos spintrônicos que são baseados na rotação de elétrons em vez de carga elétrica usual – e eles também poderiam criar computadores quânticos do futuro.
Mas alcançar acoplamento de spin-órbita em materiais sólidos é incrivelmente desafiador. Assim, físicos do Joint Institute of Laboratory Astrophysics (JILA) no Colorado prenderam um átomo de estrôncio de rotação em uma rede ótica. Depois de fazer isso com milhares semelhantes, conseguiram criar um campo magnético sintético que durou cerca de 160 segundos – tempo suficiente para que pudessem estudar algumas assinaturas do acoplamento em detalhes.
“Os átomos se movem de um local para outro na rede (um cristal de luz criado pelo laser), e isso é muito parecido com a Física que você obtém de um material sólido, como um metal ou qualquer outro material onde os elétrons se movam em uma estrutura cristalina periódica”, explicou o pesquisador Shimon Kolkowitz. Os físicos afirmaram que ainda há muito para aprender sobre como exatamente esse acoplamento funciona, mas agora que têm como modelar o fenômeno, esperam poder ter uma melhor chance de desvendar seus segredos.
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