Materiais quânticos: spin do elétron medido pela primeira vez

Jan 28, 2024

9 de junho de 2023

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pela Universidade de Bolonha

Uma equipe de pesquisa internacional conseguiu pela primeira vez medir o spin do elétron na matéria - ou seja, a curvatura do espaço em que os elétrons vivem e se movem - dentro de "materiais kagome", uma nova classe de materiais quânticos.

Os resultados obtidos – publicados na Nature Physics – poderão revolucionar a forma como os materiais quânticos são estudados no futuro, abrindo portas a novos desenvolvimentos em tecnologias quânticas, com possíveis aplicações em vários campos tecnológicos, desde as energias renováveis ​​à biomedicina, da eletrónica à computadores quânticos.

O sucesso foi alcançado por uma colaboração internacional de cientistas, na qual Domenico Di Sante, professor do Departamento de Física e Astronomia "Augusto Righi", participou da Universidade de Bolonha como parte de seu projeto de pesquisa Marie Curie BITMAP. Ele foi acompanhado por colegas do CNR-IOM Trieste, Ca' Foscari University of Venice, University of Milan, University of Würzburg (Alemanha), University of St. Andrews (Reino Unido), Boston College e University of Santa Barbara (EUA).

Por meio de técnicas experimentais avançadas, usando luz gerada por um acelerador de partículas, o Síncrotron, e graças a modernas técnicas de modelagem do comportamento da matéria, os estudiosos conseguiram medir pela primeira vez o spin do elétron, relacionado ao conceito de topologia.

“Se pegarmos dois objetos como uma bola de futebol e uma rosquinha, notamos que suas formas específicas determinam diferentes propriedades topológicas, por exemplo porque a rosquinha tem um buraco, enquanto a bola de futebol não”, explica Domenico Di Sante. "Da mesma forma, o comportamento dos elétrons nos materiais é influenciado por certas propriedades quânticas que determinam sua rotação na matéria em que se encontram, semelhante a como a trajetória da luz no universo é modificada pela presença de estrelas, buracos negros, matéria e energia escura, que dobram o tempo e o espaço."

Embora essa característica dos elétrons seja conhecida há muitos anos, até agora ninguém havia conseguido medir diretamente esse "spin topológico". Para conseguir isso, os pesquisadores exploraram um efeito particular conhecido como "dicroísmo circular": uma técnica experimental especial que só pode ser usada com uma fonte síncrotron, que explora a capacidade dos materiais de absorver a luz de maneira diferente, dependendo de sua polarização.

Os estudiosos se concentraram especialmente nos "materiais kagome", uma classe de materiais quânticos que deve seu nome à sua semelhança com a trama de fios de bambu entrelaçados que compõem uma cesta tradicional japonesa (chamada, de fato, "kagome"). Esses materiais estão revolucionando a física quântica, e os resultados obtidos podem nos ajudar a aprender mais sobre suas propriedades magnéticas, topológicas e supercondutoras especiais.

"Esses resultados importantes foram possíveis graças a uma forte sinergia entre a prática experimental e a análise teórica", acrescenta Di Sante. “Os pesquisadores teóricos da equipe empregaram simulações quânticas sofisticadas, possíveis apenas com o uso de supercomputadores poderosos, e dessa forma guiaram seus colegas experimentais para a área específica do material onde o efeito do dicroísmo circular poderia ser medido”.

Mais Informações: Domenico Di Sante et al, Separação de banda plana e curvatura robusta de spin Berry em metais kagome de camada dupla, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z