Tese apresenta estruturas com novas propriedades magnéticas

Matheus Marques concluiu seu doutorado na Universidade Federal da Paraíba (UFPB), apresentando trabalho que cria modelos teóricos que descrevem a possibilidade da existência de novas propriedades magnéticas no universo da física. A tese pode modernizar futuras aplicações da física e rendeu a publicação de 21 artigos em periódicos internacionais.

Pela qualidade do seu trabalho, Matheus recebeu, em 2020, cinco importantes reconhecimentos: o Prêmio de Melhor Tese de Doutorado, área de Partículas e Campos, da Sociedade Brasileira de Física, o Prêmio PRPG de Teses da UFPB, categoria Melhor Tese, do Programa de Pós-Graduação em Física da UFPB, o Prêmio Lenilde Duarte de Sá, também da UFPB, de melhor tese na área de Ciências Exatas e da Terra e Engenharias, além de Menção Honrosa no Prêmio José Leite Lopes de Melhor Tese de Doutoramento, da Sociedade Brasileira de Física.

Qual a proposta de sua pesquisa?
O objetivo inicial foi investigar novos modelos, numa área da física chamada Teoria de Campos. Esta área permite obtermos modelos físicos, através de um formalismo matemático, que admitem a presença de estruturas localizadas que conectam dois estados de um sistema de interesse. Vamos pensar em uma situação hipotética simples: imaginemos uma flor com a cor amarela de um lado e vermelha do outro. Nessa situação, há uma região de interface entre as cores onde ocorre uma transição do amarelo para o vermelho (ou o contrário). Se atribuirmos valores numéricos para essas cores e observarmos o comportamento na região de interface, veremos um degrau suave, que conecta um valor (amarelo) e o outro (vermelho). Esse degrau aparece na interface entre as cores sendo, portanto, uma estrutura localizada.

De onde surgiu este seu interesse por esse tipo de estrutura?
Esse tipo de estrutura, por sua simplicidade, pode ser útil no estudo de propriedades de diversos sistemas físicos. Por exemplo, ela pode ser usada para descrever alguns materiais magnéticos. Além disso, há alguns objetos que, em situações específicas, apresentam resistência nula à passagem de corrente elétrica: os supercondutores. Eles podem repelir campos magnéticos e, portanto, suportar levitação magnética. Num tipo específico de supercondutor, sob certas condições, surgem vórtices, que são estruturas localizadas planares descritas por perfil do tipo degrau suave.

O que você encontrou?
Quando modificamos o meio em que um objeto está imerso e investigamos um processo físico, podemos obter resultados diferentes. Por exemplo, se colocarmos uma batata num forno quente, ela irá assar. Por outro lado, se a batata for colocada numa panela com água sobre o fogão e acendermos a chama, ela irá cozinhar. Logo, vemos em nosso cotidiano que o meio pode influenciar significativamente o resultado do processo. Em nossa pesquisa, investigamos modelos teóricos com as estruturas em diversos meios e obtivemos comportamentos diferentes do usual. Por exemplo, no caso dos vórtices, que usualmente tem um formato do tipo disco, as modificações podem levar a estruturas do tipo anel, com um buraco em seu centro, ou tipo multicamadas.

Por que você escolheu esse assunto para o seu doutorado?
A possibilidade de descrever diversos sistemas a partir de uma estrutura simples me fascina. Essa linha de pesquisa faz parte de uma história que foi iniciada em 2007, quando eu ainda cursava o ensino médio e o professor Dionísio Bazeia, orientador do doutorado, acolheu-me como seu estudante. Desde então, iniciei o estudo na área e fui me envolvendo no grupo de Teoria de Campos da Universidade Federal da Paraíba (UFPB), do qual faço parte atualmente. Novos materiais com propriedades distintas estão sendo desenvolvidos continuamente. Assim, há muito o que explorar na área.

O que são os monopolos ocos e pequenos e qual a sua utilidade?
Consideremos um imã. Ele tem os polos Norte e Sul, que não podem ser separados. Ainda que se tente quebrar o ímã, cada parte ficará com os dois polos. O campo magnético tem essa natureza: ele se apresenta em dois polos. O monopolo magnético seria uma partícula que poderia gerar campo magnético com um único polo. Ele foi proposto por Paul Dirac em 1931 e recebeu uma nova formulação pelos físicos Gerardus ‘t Hooft e Alexander Polyakov em 1974. Essa partícula ainda não foi encontrada na natureza. No entanto, existem alguns materiais exóticos, denominados “ spin-ice ’’ que podem ser realizados em laboratório e possuem propriedades de monopolos magnéticos. Atualmente, há muitos experimentos que buscam encontrar monopolos. Se eles fossem achados, seria uma quebra de paradigma. Creio que isso permitiria melhorar todas as tecnologias que usam campos magnéticos. Em nossa pesquisa, apenas teórica, desenvolvemos modelos teóricos que suportam essas estruturas com novas propriedades. No monopolo proposto por Hooft e Polyakov, essas estruturas são esfericamente simétricas e maciças, como uma bola de bilhar. Nossas modificações levaram à possibilidade de encolher o monopolo, fazendo-o se tornar pequeno, ou remover a matéria em seu centro, tornando-o oco.

Pesquisas da década passada trouxeram à luz novos materiais, denominados bimagnéticos.  Eles surgem na escala nanométrica, com partículas compostas por duas subestruturas: núcleo e casca. Suas aplicações vão da biomedicina à engenharia, incluindo o desenvolvimento de contrastes para exames de ressonância magnética e de dispositivos de armazenamento. Com isso, a possibilidade de se construir uma partícula composta com diversas aplicações nos levou a investigar se o buraco no centro do monopolo oco poderia acomodar um outro objeto. Propusemos, então, modelos teóricos que chamamos de monopolos bimagnéticos, que seriam monopolos compostos por um núcleo e uma casca ou por duas cascas.

Sua pesquisa também aborda a possibilidade de maximizar aplicações ou resultados com o mínimo de energia. Quais as vantagens?
No desenvolvimento dos modelos, buscamos configurações descritas pela teoria que sejam estáveis. Para entender um pouco a relação entre estabilidade e energia, podemos pensar no nosso cotidiano. Por que preferimos ficar deitados a correr? Uma resposta possível é: porque gastamos menos energia quando estamos deitados. Podemos ficar várias horas deitados. Geralmente, depois de fazer um grande esforço físico, ficamos cansados e, para se recuperar, nos deitamos, isto é, voltamos para o estado de menor energia. É mais ou menos isso que ocorre nos sistemas físicos: os estados de energia mínima são estáveis, eles não mudam com o passar do tempo e as excitações energéticas do sistema geralmente acabam voltando espontaneamente para a configuração de energia mínima. Portanto, se obtivermos as configurações de menor energia do sistema, garantimos sua estabilidade. Os modelos teóricos que propusemos possuem energia mínima e, portanto, são estáveis. Assim, acreditamos que eles são bons para descrever os sistemas físicos de interesse.

Qual a importância da CAPES para sua trajetória acadêmica?
A CAPES teve papel fundamental no período sanduíche que fiz durante o doutorado na University of Pennsylvania (EUA), pois me concedeu uma bolsa que viabilizou minha estadia na Filadélfia. Além disso, após retornar ao Brasil, também realizei pós-doutorado com bolsa da CAPES.

Legenda das imagens:
Banner: Imagem ilustrativa (Foto: iStock)
Imagem dentro da matéria: Matheus Marques doutor na Universidade Federal da Paraíba (UFPB) (Foto: Arquivo pessoal)

A Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) é um órgão vinculado ao Ministério da Educação (MEC).
(Brasília – Redação CGCOM/CAPES)
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