Interações antiferromagnéticas
spin-spin são mediadas e ampliadas pelos elétrons em um supercondutor. (Ilustração:
S. Kelley/E.Edwards)
Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) em colaboração com físicos de Harvard
e Yale, vem estudando os efeitos da incorporação de spins na
superfície de um supercondutor. Em um trabalho publicado recentemente no Physical Review Letters (“Enhanced Antiferromagnetic Exchange between Magnetic Impurities in a Superconducting Host”), eles demonstraram que os
spins podem interagir de forma diferente do que se pensava. Esta plataforma
híbrida poderia ser útil para simulações quânticas de complexos sistemas de
spin, tendo a particularidade de que as interações podem ser controladas, algo
bastante incomum para a maioria dos sistemas da matéria condensada.
O
sistema quântico clássico conhecido como spin pode ser realizado em diferentes
plataformas físicas. Devido aos avanços na fabricação e criação de imagens,
impurezas magnéticas embutidas em um substrato surgiram como uma perspectiva
interessante para o estudo da física de spin. O 'spin' está relacionado ao
momento angular intrínseco de uma partícula. O interessante é que, embora o
conceito seja abstrato, inúmeros efeitos na natureza, tais como magnetismo, são
mapeados em modelos matemáticos de spin.
Um
único spin é útil, mas a maioria das aplicações práticas e estudos de fenômenos
complexos exigem controle de muitos spins interagentes. Por si só, os spins
irão interagir uns com os outros, com a força da interação desaparecendo quando
eles são separados. Nos experimentos, os físicos, muitas vezes utilizam
técnicas como lasers e / ou campos magnéticos, para controlar e modificar a
interação entre os spins. Embora possível em sistemas atômicos, controlar
interações entre spins não tem sido fácil ou mesmo possível na maioria dos sistemas
do estado sólido.
Em princípio, a melhor forma de melhorar
a comunicação entre os spins nos materiais é usar como intermediários os
elétrons livres. Elétrons livres são fáceis de encontrar em condutores, mas do
ponto de vista da física quântica, estes materiais são ‘sujos’ e ‘barulhentos’.
Aqui, elétrons fluem em volta sendo espalhados por incontáveis átomos criando
rupturas e mascarando os efeitos quânticos. Uma maneira de contornar este
obstáculo é colocar os spins em um substrato supercondutor, que é um ambiente
quântico tranquilo, intocado.
Por
que os supercondutores são anfitriões limpos para spins? Considere a estrutura
de banda destes sistemas. A estrutura de banda descreve o comportamento dos
elétrons em sólidos. Dentro de átomos isolados, os elétrons ocupam níveis discretos
de energias, separados por regiões proibidas. Num sólido, os átomos estão dispostos
num padrão de repetição em que devido à proximidade, seus elétrons são
efetivamente compartilhados. O diagrama de níveis de energia em um sólido
consiste não em níveis discretos, mas bandas que representam quase um contínuo
de valores de energia. Em um sólido, elétrons normalmente ocupam os níveis mais
baixos de energia.
Em
condutores, o próximo nível de energia acima do mais alto preenchido, é próximo
o suficiente para permitir transições, facilitando o fluxo de elétrons na forma
de corrente. Nesse esquema de nível de energia, onde se encaixam os supercondutores?
Nos supercondutores, o aparecimento da resistividade zero é uma transição de
fase. Quando alguns materiais são resfriados, os elétrons começam a interagir,
mesmo em grandes distâncias, através de vibrações no cristal chamadas fônons.
Isso é chamado de “par de Cooper.” Os pares, apesar de relativamente fracos, exigem
certa quantidade de energia para quebrar, que se traduz em um gap na estrutura
de banda formada entre o estado supercondutor de menor energia e o superior de
maior energia (não supercondutor). Em certo sentido, o estado supercondutor é
um ambiente quântico isolado do barulho do estado de condução normal.
Nesta pesquisa, os cientistas consideram
o que acontece com as interações spin-spin quando os spins são incorporados em
um supercondutor. Geralmente, quando os spins são separados por uma quantidade
maior do que o chamado comprimento de coerência, eles interagem fracamente
antiferromagneticamente (orientação de spin alternada). Acontece que quando os
spins estão mais próximos, suas interações são mais complexas do que se
pensava, e tem o potencial de ser ajustável. A equipe de pesquisa corrige a teoria
existente que diz que as interações spin-spin oscilam entre ferromagnéticas
(todos os spins com a mesma orientação) e antiferromagnéticas. Este tipo de
interação é válida para condutores comuns, mas não quando o substrato é um
supercondutor.
O
que está acontecendo é que, semelhante aos semicondutores, as impurezas
magnéticas de spin afetam a estrutura de banda. Os spins induzem o que é
chamado estado Shiba, os quais permitem níveis de energia dentro do gap
supercondutor. Isto significa que existe uma forma de quebrar pares de elétrons
supercondutores fazendo-os ocupar níveis mais elevados, estados de energia não
supercondutores.
Para
este trabalho, o ponto chave é que quando dois spins muito próximos são anti-alinhados,
seus estados de Shiba se misturam para reforçar a interação antiferromagnética.
Uma característica interessante deste resultado é que a quantidade de mistura, a
força efetiva da interação, pode ser ajustada mudando a energia relativa dos
estados de Shiba em torno da região do gap. A equipe descobriu que, quando os
estados de Shiba estão no meio do gap supercondutor, a interação
antiferromagnética entre spins domina.
Autor
e teórico Jay Sau explica a promessa desta plataforma: “O que este sistema spin-supercondutor fornece
é a capacidade de conectar vários sistemas quânticos juntos em uma interação
definitiva. Aqui você pode, potencialmente, colocar um monte de átomos de
impureza em uma pequena região do supercondutor e todos eles vão interagir
antiferromagneticamente. Esta é a situação ideal para a formação de estados de
spin exóticos.”
Matrizes de spins com interações controláveis
são difíceis de obter em laboratório e, quando combinada com a capacidade de
gerar imagens individuais de impurezas de spin via microscopia de varredura por
tunelamento (STM), esta plataforma híbrida pode abrir novas possibilidades para
o estudo de fenômenos quânticos interagentes complexos.
Da perspectiva de Sal: “Estamos na fase em que nossa compreensão dos eventos
quânticas de muitos corpos é tão ruim que não queremos simular um material
específico. Se nós apenas começamos a gerar exemplos mais complicados de
sistemas quânticos que não entendemos, então já fizemos progresso.”
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