Investigadores acabaram de realizar uma estreia mundial na física quântica: a observação experimental da condensação de Bose-Einstein (BEC) de um estado ligado de dois magnons num material magnético. Esta descoberta foi possível graças ao espectrómetro de ressonância de spin eletrónico de campo magnético elevado, localizado na infraestrutura SHMFF, na China.
A equipa de investigadores é proveniente de várias instituições, incluindo a Universidade de Ciência e Tecnologia do Sul da China e a Organização Australiana de Ciência e Tecnologia Nuclear, que detectou este fenómeno, até então apenas teórico.
A condensação de Bose-Einstein, um fenómeno quântico fascinante
A condensação de Bose-Einstein é um estado quântico no qual partículas bosónicas se acumulam num mesmo estado fundamental a temperaturas extremamente baixas, formando um único conjunto coerente. Até agora, este fenómeno era observado principalmente com gases de átomos arrefecidos a alguns milésimos de graus acima do zero absoluto.
O que torna esta nova observação única é o facto de envolver quase-partículas magnéticas chamadas magnons. Um magnon representa uma excitação coletiva dos spins eletrónicos numa rede cristalina.
Um par de magnons que se comporta como uma única entidade
Os investigadores demonstraram que, no material Na₂BaNi(PO₄)₂, os magnons podem emparelhar-se num estado ligado e condensar-se, de forma semelhante aos pares de Cooper na supercondutividade. Mas existe uma diferença fundamental: num supercondutor, são os férmions que formam pares, enquanto neste caso são os bosões, tornando a física subjacente totalmente diferente.
Por que este material é tão especial
O cristal Na₂BaNi(PO₄)₂ possui uma estrutura em rede triangular, um sistema chamado frustrado, onde as interações magnéticas competem entre si. Nestas redes, os spins não podem alinhar-se de forma simples, o que gera comportamentos quânticos exóticos.
É neste ambiente que os magnons interagem de forma invulgar. Ao aplicar um campo magnético e arrefecer o sistema, os magnons agrupam-se dois a dois e entram em fase condensada, formando uma nova fase quântica nunca antes observada.
Ferramentas de análise de ponta
Para validar esta descoberta, foram utilizadas várias técnicas avançadas:
- A ressonância de spin eletrónico de alta frequência, que permite observar as excitações magnéticas.
- A difusão neutrónica, um método de análise da estrutura e das interações dos spins.
- A ressonância magnética nuclear (RMN), que deteta alterações à escala atómica.
O conjunto destas técnicas permitiu comprovar que a condensação de Bose-Einstein dos estados ligados dos magnons ocorria efetivamente neste material.
Um passo em direção a novas fases quânticas
Esta descoberta abre perspetivas para o estudo das fases quânticas exóticas e da forma como as partículas se podem organizar à escala microscópica. Ao explorar estas propriedades, os investigadores poderão descobrir novos materiais com comportamentos inesperados, com potenciais aplicações no armazenamento de informação quântica ou nas tecnologias de spintrónica.
As redes triangulares continuam a ser um campo de exploração fascinante para os físicos, e este avanço marca um passo em direção a uma melhor compreensão das interações quânticas emergentes.
