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Quando pequenos detalhes mudam tudo: pesquisadores revelam novas faces de um material magnético
À primeira vista, o material estudado parecia seguir regras já conhecidas da física. Mas, como acontece muito na ciência, bastou olhar com mais atenção para descobrir que a realidade era bem mais rica.
Um novo estudo internacional, com participação do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), revelou que o composto Na₂BaMn(PO₄)₂, um material magnético cristalino — no qual os átomos se organizam em uma grade extremamente regular –, não se comporta como se imaginava. O trabalho foi realizado por uma ampla colaboração internacional envolvendo instituições do Brasil (CBPF), da Alemanha (Forschungszentrum Jülich), França (Institut Laue-Langevin – ILL e CEA), República Tcheca (Charles University) e Suíça (Paul Scherrer Institute – PSI e École Polytechnique Fédérale de Lausanne – EPFL).
O estudo combina experimentos de alta precisão com modelagem teórica avançada. A parte experimental foi liderada pelo pesquisador Nikolaos Biniskos, da Charles University, enquanto a modelagem teórica e as simulações computacionais foram realizadas pelo pesquisador da Coordenação de Física Teórica (COTEO) do CBPF, Flaviano Marchiori dos Santos.
- Crystal structure of Na2BaMn(PO4)2 as determined by single crystal x-ray diffraction - Fonte: Artigo Spin structures and phase diagrams of the spin-5/2 triangular lattice antiferromagnet Na₂BaMn(PO₄)₂ under magnetic field
Um quebra-cabeça microscópico
No interior desse material, os átomos funcionam com minúsculos ímãs, chamados spins. Eles se organizam formando uma rede de triângulos — uma geometria que, por si só, já cria impasses quando as interações são antiferromagnéticas.
Imagine três pessoas em um triângulo tentando ficar ao mesmo tempo de costas umas para as outras. Não importa como se posicionem, alguém sempre fica insatisfeito. Esse “impasse” é o que os físicos chamam de frustração magnética: os spins não conseguem se organizar de forma simples, o que abre espaço para comportamentos inesperados.
Por muito tempo, acreditou-se que esses spins no material em questão interagiam principalmente dentro de camadas planas, como folhas empilhadas. As interações entre as camadas eram consideradas fracas demais para fazer diferença.
- Spin arrangements in the different phases based on the 3D model at 𝑇=0K for (a) the ground state, (b),(c) for external field applied out of plane, i.e., along the 𝑐 axis, and (d)–(f) in plane, i.e., along the 𝑎 axis - Fonte: Artigo Spin structures and phase diagrams of the spin-5/2 triangular lattice antiferromagnet Na₂BaMn(PO₄)₂ under magnetic field
O detalhe quase invisível que muda o jogo
O estudo mostrou que essa suposição estava errada. Mesmo sendo muito fracas — e, mais importante, frustradas —, as interações entre as camadas do material são decisivas para o comportamento magnético do sistema. É como descobrir que um prédio não depende apenas da resistência de cada andar, mas de cabos quase invisíveis que conectam toda a estrutura.
Esses acoplamentos tridimensionais explicam o surgimento de novas fases magnéticas quando o material é submetido a campos magnéticos intensos, incluindo padrões altamente organizados e outros bem mais complexos, que não se repetem de forma simples na estrutura do cristal.
Estados magnéticos sob medida
O estado fundamental do sistema foi descoberto como uma espiral formada em cima de um arranjo de três spins que se orientam com ângulo de 120° entre si, ou seja, um estado altamente não colinear – com spins dispostos em direções muito diferentes entre si, em vez de alinhados paralelamente ou antiparalelamente.
Ao aplicar um campo magnético externo, os pesquisadores observaram uma sequência de transformações na organização dos spins. Um dos estados mais marcantes é conhecido como “up-up-down”: dois spins apontam em uma direção, enquanto o terceiro aponta na direção oposta.
Esse arranjo gera um patamar estável na magnetização do material — uma espécie de pausa previsível em meio às mudanças – e funciona como uma assinatura clara das leis fundamentais que regem sistemas magnéticos frustrados.
Mais do que confirmar algumas teorias anteriores, o estudo revelou uma complexidade adicional, mostrando que pequenas interações, antes desprezadas, podem controlar toda a dinâmica do sistema.
Ciência no limite da tecnologia
Chegar a essas conclusões exigiu condições extremas: temperaturas próximas do zero absoluto, campos magnéticos intensos, supercomputadores e o uso de grandes instalações científicas internacionais. Técnicas avançadas de difração de nêutrons em monocristais – ou seja, amostras formadas por um único cristal altamente ordenado, ideais para revelar a estrutura magnética do material – permitiram “enxergar” diretamente como os spins se reorganizam, enquanto simulações computacionais ajudaram a testar e refinar os modelos teóricos.
O trabalho ilustra como ciência de ponta depende da combinação entre experimentos sofisticados, teoria e cooperação global.
Por que isso importa?
Embora se trate de pesquisa fundamental, sem aplicação tecnológica imediata, o impacto desse tipo de estudo vai muito além do laboratório.
Toda tecnologia baseada em magnetismo – de discos rígidos a sensores e dispositivos eletrônicos – nasceu do entendimento básico de como materiais magnéticos se comportam. Ao revelar novos estados da matéria e desafiar modelos consagrados, pesquisas como esta ajudam a construir as bases para futuras inovações, incluindo avanços em spintrônica, uma área promissora que busca dispositivos mais rápidos e eficientes energeticamente.
No fim das contas, o estudo mostra que, na ciência, detalhes quase invisíveis podem mudar completamente o panorama – compreender esses detalhes é essencial para transformar conhecimento em tecnologia.
O estudo deu origem ao artigo “Spin structures and phase diagrams of the spin-5/2 triangular lattice antiferromagnet Na₂BaMn(PO₄)₂ under magnetic field” (em português, “Estruturas de spin e diagramas de fase do antiferromagneto de rede triangular de spin-5/2 Na₂BaMn(PO₄)₂ sob campo magnético”), publicado na revista científica Physical Review B.
O estudo reforça o papel do CBPF na área de Spintrônica e na produção de conhecimento de fronteira, levando o conhecimento desenvolvido no Brasil para diversos lugares do mundo e ampliando seus estudos em parcerias com outros institutos nacionais e internacionais. Ao contribuir para o avanço da compreensão de fenômenos fundamentais do magnetismo, a pesquisa evidencia como a ciência básica, desenvolvida com rigor e cooperação global, é essencial para formação de recursos humanos, fortalecimento da ciência nacional e construção das bases para futuras inovações tecnológicas.
Para ler sobre a presença da Spintrônica do CBPF na China, clique aqui.