Elétrons podem ter natureza dupla, constituídos por duas partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica - 24/05/2021

Esta pode ser a primeira prova de que o elétron pode ser formado por duas partículas mais simples.
[Imagem: Peter Czajka et al. - 10.1038/s41567-021-01243-x]

Separação spin-carga

Físicos afirmam ter colhido as primeiras evidências experimentais da validade de uma teoria estabelecida em 1973 por Philip Anderson, ganhador do Prêmio Nobel, que foi o primeiro a prever a existência de um estado da matéria em que a eletricidade e o magnetismo se separam.

Segundo essa teoria, um elétron pode se comportar como se fosse feito de duas partículas: Uma partícula que carrega sua carga negativa e outra que lhe dá uma propriedade semelhante a um ímã, o chamado spin. Quando as duas se separam, origina-se o que hoje é conhecido como "líquido de spin".

Em todos os materiais, o spin de um elétron pode apontar para cima ou para baixo. Nos ímãs, todos os spins apontam uniformemente em uma direção em toda a amostra. Nos líquidos de spin, contudo, os spins estão constantemente mudando de forma totalmente coordenada, em uma verdadeira coreografia, o que significa que este é um dos estados quânticos mais emaranhados - ou entrelaçados - já concebidos, o que é de grande interesse para a computação quântica e para a spintrônica.

Há muito tempo se procura por essa separação spin-carga porque ela mostraria uma nova conexão entre eletricidade e magnetismo, mas até agora os experimentos não tinham sido conclusivos.

A assinatura do spinon reflete-se na forma de oscilações no padrão de dados.
[Imagem: Peter Czajka et al. - 10.1038/s41567-021-01243-x]

Spinons

A equipe procurou por sinais da separação carga-spin em um cristal de rutênio e cloro. Em temperaturas uma fração de Kelvin acima do zero absoluto, e na presença de um forte campo magnético, os cristais de cloreto de rutênio entraram no estado líquido de spin.

Para o experimento, Peter Czajka e Tong Gao, da Universidade Princeton, nos EUA, conectaram três termômetros altamente sensíveis ao cristal (primeira foto), ligaram o campo magnético e então aqueceram ligeiramente a amostra, para medir sua condutividade térmica.

Os dados mostraram um claro padrão oscilatório, o que a equipe interpreta como sendo a evidência da presença da separação spin-carga, que os físicos chamam de spinon, o sinal de que o elétron é composto de duas partículas, uma responsável pela carga elétrica e outra pelo magnetismo, conforme as predições de Anderson.

"As pessoas vêm procurando por essa assinatura há quatro décadas. Se esta descoberta e a interpretação do spinon forem validadas, isso avançará significativamente o campo dos líquidos quânticos de spin," disse o professor Nai Ong.

Bibliografia:

Artigo: Oscillations of the thermal conductivity in the spin-liquid state of α-RuCl3
Autores: Peter Czajka, Tong Gao, Max Hirschberger, Paula Lampen-Kelley, Arnab Banerjee, Jiaqiang Yan, David G. Mandrus, Stephen E. Nagler, Nai Phuan Ong
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01243-x