Triplons são pequenas coisas complicadas. Experimentalmente, eles são extremamente difíceis de observar. E mesmo assim, os pesquisadores costumam realizar testes em materiais macroscópicos, nos quais as medições são expressas como uma média de toda a amostra.

É aí que os materiais quânticos projetados oferecem uma vantagem única, diz Robert Drost, pesquisador da Academia, primeiro autor de um artigo publicado na Physical Review Letters . Esses materiais quânticos projetados permitem que os pesquisadores criem fenômenos não encontrados em compostos naturais, permitindo, em última análise, a realização de excitações quânticas exóticas.

"Esses materiais são muito complexos. Eles oferecem uma física muito empolgante, mas os mais exóticos também são difíceis de encontrar e estudar. Portanto, estamos tentando uma abordagem diferente aqui, construindo um material artificial usando componentes individuais", diz o professor Peter Liljeroth , chefe do grupo de pesquisa em física em escala atômica da Universidade Aalto.

Os materiais quânticos são governados pelas interações entre os elétrons no nível microscópico. Essas correlações eletrônicas levam a fenômenos incomuns, como supercondutividade de alta temperatura ou estados magnéticos complexos, e correlações quânticas dão origem a novos estados eletrônicos.

No caso de dois elétrons, existem dois estados emaranhados conhecidos como estados singleto e tripleto. O fornecimento de energia ao sistema de elétrons pode excitá-lo do estado singleto para o estado tripleto. Em alguns casos, essa excitação pode se propagar através de um material em uma onda de emaranhamento conhecida como triplon. Essas excitações não estão presentes em materiais magnéticos convencionais, e medi-las continua sendo um desafio aberto em materiais quânticos.

No novo estudo, a equipe usou pequenas moléculas orgânicas para criar um material quântico artificial com propriedades magnéticas incomuns. Cada uma das moléculas de cobalto-ftalocianina usadas no experimento contém dois elétrons de fronteira.

“Usando blocos de construção moleculares muito simples, somos capazes de projetar e sondar esse complexo ímã quântico de uma forma que nunca foi feita antes, revelando fenômenos não encontrados em suas partes independentes”, diz Drost. “Embora excitações magnéticas em átomos isolados tenham sido observadas por muito tempo usando espectroscopia de tunelamento de varredura, isso nunca foi realizado com triplons de propagação”.

"Usamos essas moléculas para agrupar elétrons, nós os empacotamos em um espaço apertado e os forçamos a interagir", continua Drost. "Olhando para tal molécula de fora, veremos a física conjunta de ambos os elétrons. Como nosso bloco de construção fundamental agora contém dois elétrons , em vez de um, vemos um tipo muito diferente de física."

A equipe monitorou as excitações magnéticas primeiro em moléculas individuais de cobalto-ftalocianina e depois em estruturas maiores, como cadeias moleculares e ilhas. Começando com o que é muito simples e trabalhando no sentido de aumentar a complexidade, os pesquisadores esperam compreender o comportamento emergente em materiais quânticos. No presente estudo, a equipe pôde demonstrar que as excitações singleto-tripleto de seus blocos de construção podem atravessar redes moleculares como quasipartículas magnéticas exóticas conhecidas como triplons.

"Mostramos que podemos criar uma excitação magnética quântica exótica em um material artificial. Essa estratégia mostra que podemos projetar racionalmente plataformas materiais que abrem novas possibilidades em tecnologias quânticas", disse o professor assistente José Lado, um dos coautores do estudo. , que dirige o grupo de pesquisa de materiais quânticos correlacionados na Universidade de Aalto.

A equipe planeja estender sua abordagem para blocos de construção mais complexos para projetar outras excitações magnéticas exóticas e ordenar materiais quânticos. O design racional a partir de ingredientes simples não apenas ajudará a entender a física complexa de sistemas de elétrons correlacionados, mas também estabelecerá novas plataformas para materiais quânticos de design.