Simulador de matéria comprova existência de líquido de spin quântico

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/12/2021

O líquido de spin não tem a ver com líquidos como a água, mas com o magnetismo.
[Imagem: Takashi Imai/Young Lee - 10.1063/PT.3.3266]

Líquido de spin quântico

Físicos garantem que agora de fato observaram de forma conclusiva um estado da matéria teorizado há mais de 50 anos: o líquido de spin.

Esse estado bizarro da matéria é chamado de líquido de spin quântico, mas, ao contrário do que diz seu nome, não tem nada a ver com os líquidos do dia-a-dia, como a água. Em vez disso, o que está envolvido é uma espécie de "magnetismo líquido", envolvendo ímãs que nunca congelam e a forma como os elétrons giram neles.

Nos ímãs regulares, quando a temperatura cai abaixo de um determinado limite, os elétrons se estabilizam, o que resulta em um pedaço sólido de matéria com propriedades magnéticas. No líquido de spin quântico, os elétrons não se estabilizam quando resfriados, não formam um sólido e ficam constantemente mudando e flutuando (como em um líquido) de forma coordenada, originando um dos estados quânticos mais emaranhados já concebidos - a ideia desse líquido quântico foi lançada por Philip W. Anderson em 1973.

Essas propriedades muito particulares têm aplicações promissoras em várias tecnologias quânticas, incluindo os supercondutores e os computadores quânticos - desde que se consiga produzi-los de forma estável.

De fato, as propriedades exóticas dos líquidos de spin quântico podem ser a chave para a criação de bits quânticos mais robustos - conhecidos como qubits topológicos - que devem ser resistentes a ruídos e interferências externas, que geram grandes margens de erro nos qubits atuais.

"Este é um sonho da computação quântica," disse a pesquisadora Giulia Semeghini, da Universidade de Harvard, nos EUA. "Aprender como criar e usar esses qubits topológicos representaria um grande passo em direção à realização de computadores quânticos confiáveis."

O experimento envolve manipular conjuntos de três elétrons.
[Imagem: G. Semeghini - et al. - 10.1126/science.abi8794]

Simulador de matéria

A ideia de tentar observar o estado líquido da matéria surgiu graças ao simulador quântico programável que a equipe desenvolveu em 2017.

O simulador é um tipo especial de computador quântico que permite criar formas programáveis - como quadrados, favos de mel ou redes triangulares - para projetar diferentes interações e entrelaçamentos entre átomos ultrafrios. É como construir a matéria átomo por átomo. Máquinas desse tipo já estão sendo usadas para estudar uma série de processos quânticos complexos, como ver a matéria surgindo do vácuo ou usar íons para simular ligações químicas.

"Você pode distanciar os átomos uns dos outros o quanto quiser, pode alterar a frequência da luz do laser, você pode realmente alterar os parâmetros da natureza de uma forma que não seria possível no material onde essas coisas foram estudadas anteriormente," explicou o professor Subir Sachdev, membro da equipe. "Aqui, você pode olhar para cada átomo e ver o que ele está fazendo."

Nos ímãs convencionais, os spins dos elétrons apontam para cima ou para baixo em algum padrão regular. Em um ímã de geladeira, por exemplo, os spins apontam todos na mesma direção porque eles geralmente operam em um padrão tipo caixa de seleção (acionada ou não), podendo emparelhar de forma que possam apontar na mesma direção ou em direções alternadas, mantendo uma determinada ordem.

Os líquidos de spin quântico não apresentam nenhuma ordem magnética. Isso acontece porque, essencialmente, há um terceiro spin operando, transformando o padrão da caixa de seleção em um padrão triangular. Embora um par sempre possa se estabilizar em uma direção ou outra, em um triângulo o terceiro spin sempre será a saída do elétron ímpar.

Isso cria um ímã "frustrado", onde os spins dos elétrons não conseguem se estabilizar em uma única direção. Essa frustração magnética é muito interessante porque ela gera materiais com propriedades muito particulares.

"Essencialmente, eles [os spins dos elétrons] estão em configurações diferentes ao mesmo tempo, com certa probabilidade", explicou Semeghini. "Esta é a base para a superposição quântica."

O simulador quântico permitiu montar a rede de elétrons que mostra este novo estado da matéria.
[Imagem: G. Semeghini - et al. - 10.1126/science.abi8794]

Qubits topológicos

A equipe usou o simulador quântico para criar seu próprio padrão de rede frustrada, colocando os átomos para interagir e se entrelaçar, agindo exatamente como os modelos teóricos previam.

Depois de confirmar a presença dos líquidos de spin quânticos, os pesquisadores se voltaram para a possível aplicação desse estado da matéria para a criação de qubits mais robustos. Eles realizaram um teste de prova de conceito que mostrou que pode ser possível criar esses bits quânticos colocando os líquidos quânticos de spin em uma matriz geométrica especial.

"Mostramos os primeiros passos sobre como criar este qubit topológico, mas ainda precisamos demonstrar como você pode realmente codificá-los e manipulá-los," disse Semeghini. "Agora há muito mais para explorar."

Mais tópicos