Em 1966, o físico japonês Yosuke Nagaoka teve a ideia de um novo mecanismo incomum que poderia causar ferromagnetismo – o fenômeno que impulsiona os ímãs.
Sua ideia fazia sentido na teoria, mas nunca foi observada em materiais naturais. Agora temos os primeiros sinais de que isso está acontecendo no laboratório.
Mais uma vez, devemos à física quântica pela descoberta. Os cientistas foram capazes de criar o que chamam de “assinaturas experimentais” do ferromagnetismo Nagaoka (como veio a ser chamado) em um sistema elétrico quântico feito sob medida e rigidamente controlado.
Embora seja muito cedo para colocar essa nova configuração de magnetismo para funcionar na prática, a descoberta sugere que a previsão de 54 anos de Nagaoki está correta; e isso pode ter um grande impacto sobre como os sistemas quânticos do futuro se desenvolverão.
“Os resultados foram claros: demonstramos o ferromagnetismo”, disse o físico quântico Lieven Wandersiepen, da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda.
“Quando começamos a trabalhar neste projeto, eu não tinha certeza se o experimento seria possível, porque a física é muito diferente de tudo que já estudamos em nosso laboratório.”
A maneira mais fácil de imaginar o ferromagnetismo é com um jogo de quebra-cabeça para crianças em que você insere blocos deslizantes em um desenho. Nessa analogia, cada bloco é um elétron com seu próprio spin ou alinhamento.
O ferromagnetismo de Nagaoke tem a forma de um quebra-cabeça, com todos os giros alinhados à direita. (Scixel de Groot para QuTech)
Quando os elétrons se alinham em uma direção, um campo magnético é criado. Nagaoka descreveu uma espécie de versão ideal de ferromagnetismo itinerante, em que os elétrons podem se mover livremente enquanto o material permanece magnético.
Na versão Nagaoki do quebra-cabeça, todos os elétrons estão alinhados na mesma direção, o que significa que, embora as peças do quebra-cabeça sejam embaralhadas, o magnetismo do sistema como um todo permanece constante.
Como o embaralhamento de elétrons (ou mosaicos) é irrelevante para a configuração geral, o sistema requer menos energia.
Para mostrar o ferromagnetismo de Nagaoka em ação, os cientistas construíram uma rede bidimensional de dois por dois de pontos quânticos, minúsculas partículas semicondutoras que poderiam formar computadores quânticos de próxima geração.
Todo o sistema foi resfriado até quase zero absoluto (-272,99 ° C ou -459,382 ° F), então três elétrons foram aprisionados dentro dele (deixando um 'bloco de quebra-cabeça' vazio). O próximo passo foi demonstrar que a grade se comporta como um ímã, conforme sugerido por Nagaoka.
“Usamos um sensor elétrico muito sensível que poderia decodificar a orientação do spin dos elétrons e convertê-lo em um sinal elétrico que poderíamos medir em um laboratório”, diz o físico quântico Udittendu Muhopadhyay, da Delft University of Technology.
O sensor mostrou que o sistema de pontos quânticos supersensíveis ultrapequenos alinhava de fato os spins do elétron, como esperado, preferindo naturalmente o estado de menor energia.
Descrito anteriormente como um dos problemas mais difíceis da física, este é um passo significativo em nossa compreensão do magnetismo e da mecânica quântica, mostrando que a ideia de longa data de como o ferromagnetismo funciona em nanoescala é realmente verdadeira.
No futuro, a descoberta deve ajudar a desenvolver nossos próprios computadores quânticos, dispositivos capazes de realizar cálculos além de nossa tecnologia atual.
“Esses sistemas permitem que você estude problemas que são muito complexos para serem resolvidos com o supercomputador mais avançado de hoje, como processos químicos complexos,” diz Vanderspen.
Experimentos experimentais como a realização do ferromagnetismo de Nagaoke fornecem diretrizes importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos e simuladores do futuro.
O estudo foi publicado na revista Nature.
Fontes: Foto: Sofía Navarrete e María Mondragón De la Sierra para a QuTech
