Diagrama de fases e assinaturas espectroscópicas de um supersólido no ímã quântico Ising K2Co(SeO3)2

O estranho mundo dos sólidos que fluem

Imagine um material que é ao mesmo tempo um cristal rígido e um fluido sem fricção. Esse estado contraintuitivo, chamado “supersólido”, fascina físicos há décadas, mas tem sido muito difícil de identificar em materiais reais. Neste trabalho, pesquisadores mostram que um ímã à base de cobalto, K2Co(SeO3)2, se comporta exatamente dessa maneira exótica. Ao mapear cuidadosamente como seus spins — pequenos ímãs atômicos — se organizam e flutuam sob frio extremo e campos magnéticos fortes, eles revelam não uma, mas duas fases supersólidas distintas, abrindo uma nova janela experimentalmente acessível para algumas das formas mais estranhas da matéria quântica.

Um playground magnético plano

A chave dessa descoberta é a geometria e a frustração. Em K2Co(SeO3)2, os íons de cobalto magnéticos se situam em camadas triangulares planas. Nessa rede, spins vizinhos preferem apontar em direções opostas, mas três spins num triângulo não podem satisfazer essa regra simultaneamente. Essa “frustração” conduz a um grande número de arranjos quase equivalentes, como um baralho embaralhado em que muitos padrões têm praticamente o mesmo custo energético. Em campo magnético zero e baixa temperatura, experimentos de espalhamento de nêutrons mostram que os spins escolhem um padrão repetitivo com uma célula unitária maior, de três sítios, rompendo a regularidade da rede cristalina. Ao mesmo tempo, os spins não ficam completamente congelados: o tamanho do momento ordenado é fortemente reduzido, indicando intensa movimentação quântica que mantém o sistema entre ordem e desordem.

Quando ordem e fluxo coexistem

Para verificar se esse estado inquieto é um supersólido, a equipe investigou como os spins se movem, não apenas como se arranjam. Usando espectroscopia de nêutrons muito sensível, encontraram que o sistema suporta bandas largas de excitações magnéticas em vez das ondas nítidas esperadas num ímã simples. Num vetor de onda especial determinado pelo padrão triangular, observaram simultaneamente dois ingredientes-chave: um modo cuja energia vai até zero e outro com uma pequena, porém finita, lacuna. Em linguagem de simetria, essas características sinalizam que o sistema quebra tanto uma simetria contínua de rotação de spin (análoga a um superfluido que pode fluir sem resistência) quanto uma simetria discreta de translação (análoga a um cristal com padrão de densidade repetitivo). Juntas, essas são as marcas gêmeas de um supersólido nesse contexto magnético.

Um mapa de fases quântico em campo magnético

Aplicar um campo magnético ao longo do eixo fácil dos spins permite aos pesquisadores ajustar o equilíbrio entre arranjos concorrentes. Medidas de capacidade térmica e magnetização em ampla faixa de temperaturas e campos revelam um diagrama de fases detalhado. Em campos moderados, os spins adotam um padrão “para cima–para cima–para baixo” em cada triângulo, levando a um platô robusto onde a magnetização trava em um terço do valor máximo. Essa transição de fase se comporta como previsto para o conhecido modelo de Potts bidimensional, confirmando que as interações subjacentes estão extremamente próximas de um caso teórico ideal. Em campos mais baixos, os dados mostram que o sistema cruza suavemente para o regime supersólido de baixo campo, onde comprimentos de correlação longos, mas não infinitos, efetivamente rompem a simetria de três sub-redes mesmo em campo zero.

Um segundo supersólido próximo da polarização total

As surpresas não terminam em campos altos. À medida que a magnetização se aproxima da saturação, medidas detalhadas de magnetização e entropia revelam uma fase adicional intercalada entre o platô de um terço e o estado totalmente alinhado. A teoria para o mesmo modelo em rede triangular prevê que, nessa janela de campo, o sistema novamente sustenta um supersólido: os spins estão quase todos alinhados, mas uma pequena fração ainda pode se mover de forma coerente, dando origem a um estado misto com padrão rígido e fluxo quântico. O experimento concorda com essas previsões, incluindo o salto acentuado, do tipo primeiro-ordem, esperado ao entrar nesse supersólido de alto campo. Ao analisar o espectro de ondas de spin na fase do platô, a equipe também determina as intensidades das interações e mostra que apenas vizinhos mais próximos importam significativamente, tornando K2Co(SeO3)2 uma realização incomumente pura do modelo ideal.

Por que isso importa para materiais quânticos

Para um leitor não especialista, a mensagem central é que K2Co(SeO3)2 atua como um laboratório para matéria que se comporta de maneiras aparentemente contraditórias: sólido e superfluido ao mesmo tempo. Neste ímã, as posições dos spins formam um padrão repetitivo como átomos num cristal, enquanto seu movimento quântico permanece delocalizado e coerente, como em um fluido. A combinação produz fases supersólidas que não são meras curiosidades teóricas, mas agora estão mapeadas em detalhe e sondadas com poderosas ferramentas espectroscópicas. Como as escalas de energia relevantes são muito mais altas do que em candidatos anteriores, este material permite medições precisas e testes teóricos nítidos, fazendo dele um sistema de referência para entender como flutuações quânticas podem esculpir estados inteiramente novos da matéria.

Citação: Chen, T., Ghasemi, A., Zhang, J. et al. Phase diagram and spectroscopic signatures of a supersolid in the quantum ising magnet K₂Co(SeO₃)₂. Nat Commun 17, 2914 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69661-0

Palavras-chave: supersólido, magnetismo frustrado, rede triangular, sistema de spins quânticos, espalhamento de nêutrons