Simulador de matria comprova existncia de lquido de spin quntico

Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 15/12/2021

O lquido de spin no tem a ver com lquidos como a gua, mas com o magnetismo.
[Imagem: Takashi Imai/Young Lee – 10.1063/PT.3.3266]

Lquido de spin quntico

Fsicos garantem que agora de fato observaram de forma conclusiva um estado da matria teorizado h mais de 50 anos: o lquido de spin.

Esse estado bizarro da matria chamado de lquido de spin quntico, mas, ao contrrio do que diz seu nome, no tem nada a ver com os lquidos do dia-a-dia, como a gua. Em vez disso, o que est envolvido uma espcie de “magnetismo lquido”, envolvendo ms que nunca congelam e a forma como os eltrons giram neles.

Nos ms regulares, quando a temperatura cai abaixo de um determinado limite, os eltrons se estabilizam, o que resulta em um pedao slido de matria com propriedades magnticas. No lquido de spin quntico, os eltrons no se estabilizam quando resfriados, no formam um slido e ficam constantemente mudando e flutuando (como em um lquido) de forma coordenada, originando um dos estados qunticos mais emaranhados j concebidos – a ideia desse lquido quntico foi lanada por Philip W. Anderson em 1973.

Essas propriedades muito particulares tm aplicaes promissoras em vrias tecnologias qunticas, incluindo os supercondutores e os computadores qunticos – desde que se consiga produzi-los de forma estvel.

De fato, as propriedades exticas dos lquidos de spin quntico podem ser a chave para a criao de bits qunticos mais robustos – conhecidos como qubits topolgicos – que devem ser resistentes a rudos e interferncias externas, que geram grandes margens de erro nos qubits atuais.

“Este um sonho da computao quntica,” disse a pesquisadora Giulia Semeghini, da Universidade de Harvard, nos EUA. “Aprender como criar e usar esses qubits topolgicos representaria um grande passo em direo realizao de computadores qunticos confiveis.”

O experimento envolve manipular conjuntos de trs eltrons.
[Imagem: G. Semeghini – et al. – 10.1126/science.abi8794]

Simulador de matria

A ideia de tentar observar o estado lquido da matria surgiu graas ao simulador quntico programvel que a equipe desenvolveu em 2017.

O simulador um tipo especial de computador quntico que permite criar formas programveis – como quadrados, favos de mel ou redes triangulares – para projetar diferentes interaes e entrelaamentos entre tomos ultrafrios. como construir a matria tomo por tomo. Mquinas desse tipo j esto sendo usadas para estudar uma srie de processos qunticos complexos, como ver a matria surgindo do vcuo ou usar ons para simular ligaes qumicas.

“Voc pode distanciar os tomos uns dos outros o quanto quiser, pode alterar a frequncia da luz do laser, voc pode realmente alterar os parmetros da natureza de uma forma que no seria possvel no material onde essas coisas foram estudadas anteriormente,” explicou o professor Subir Sachdev, membro da equipe. “Aqui, voc pode olhar para cada tomo e ver o que ele est fazendo.”

Nos ms convencionais, os spins dos eltrons apontam para cima ou para baixo em algum padro regular. Em um m de geladeira, por exemplo, os spins apontam todos na mesma direo porque eles geralmente operam em um padro tipo caixa de seleo (acionada ou no), podendo emparelhar de forma que possam apontar na mesma direo ou em direes alternadas, mantendo uma determinada ordem.

Os lquidos de spin quntico no apresentam nenhuma ordem magntica. Isso acontece porque, essencialmente, h um terceiro spin operando, transformando o padro da caixa de seleo em um padro triangular. Embora um par sempre possa se estabilizar em uma direo ou outra, em um tringulo o terceiro spin sempre ser a sada do eltron mpar.

Isso cria um m “frustrado”, onde os spins dos eltrons no conseguem se estabilizar em uma nica direo. Essa frustrao magntica muito interessante porque ela gera materiais com propriedades muito particulares.

“Essencialmente, eles [os spins dos eltrons] esto em configuraes diferentes ao mesmo tempo, com certa probabilidade”, explicou Semeghini. “Esta a base para a superposio quntica.”

O simulador quntico permitiu montar a rede de eltrons que mostra este novo estado da matria.
[Imagem: G. Semeghini – et al. – 10.1126/science.abi8794]

Qubits topolgicos

A equipe usou o simulador quntico para criar seu prprio padro de rede frustrada, colocando os tomos para interagir e se entrelaar, agindo exatamente como os modelos tericos previam.

Depois de confirmar a presena dos lquidos de spin qunticos, os pesquisadores se voltaram para a possvel aplicao desse estado da matria para a criao de qubits mais robustos. Eles realizaram um teste de prova de conceito que mostrou que pode ser possvel criar esses bits qunticos colocando os lquidos qunticos de spin em uma matriz geomtrica especial.

“Mostramos os primeiros passos sobre como criar este qubit topolgico, mas ainda precisamos demonstrar como voc pode realmente codific-los e manipul-los,” disse Semeghini. “Agora h muito mais para explorar.”

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