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Tese de estudante do CBPF sai como artigo em Physical Review B
A convite do Núcleo de Comunicação Social, Mucio Continentino, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), escreve sobre resultados obtidos em tese de doutorado de Mylena Nascimento, pós-graduanda do CBPF, e publicados em periódico internacional de prestígio, assinado por mais 10 autores ‒ entre eles, Continentino.
Você, certamente, já viu água em um recipiente entrando em ebulição quando suficientemente aquecida. A passagem do estado líquido para o de vapor é um processo conhecido na física como transição de fase, que vem acompanhado de grandes flutuações no material – veja as bolhas que se formam na temperatura de ebulição. É um fenômeno bem comum que ocorre quando há grandes variações de temperatura, como no degelo das montanhas com a chegada do verão. Nesse caso, a transição é a fusão do gelo do estado sólido para o liquido.
Encontramos, na natureza, grande variedade de fenômenos críticos ‒ como também são conhecidas as transições de fase. Mais dois exemplos desta última: i) a passagem de um metal do estado normal para o supercondutor ‒ no qual a eletricidade é conduzida sem resistência; ii) o surgimento do magnetismo em um metal como o ferro.
No ultimo caso acima, abaixo de uma temperatura crítica (T C ), os momentos magnéticos dos átomos de ferro alinham-se em uma mesma direção (figura 1) , dando origem a uma magnetização ‒ para nossos propósitos aqui, podemos imaginar os momentos magnéticos como agulhas de uma diminuta bússola.
Transições quânticas
As transições de fase, bem como as mudanças qualitativas que as acompanham, são intensamente estudadas na física. Estão associadas ao aparecimento de propriedades emergentes da matéria que não podem ser compreendidas com base apenas em seus constituintes básicos. A supercondutividade é um exemplo nesse sentido.
Transições de fase têm propriedades em comum, independentemente dos estados envolvidos. Essas caraterísticas universais as tornam ainda mais interessantes. Em geral, o agente que causa a mudança de uma fase para outra é a temperatura. Aumentando ou diminuindo essa grandeza, leva-se um sistema físico a transitar entre suas diferentes fases, como do líquido para o solido; do magnético para o não magnético; do condutor normal para o supercondutor.
Mas essa não é a única maneira de produzir uma transição de fase em um material. Aplicando-se pressão sobre um metal, também podemos torná-lo supercondutor, mantendo sua temperatura fixa. Em especial (ao menos, em teoria), podemos induzir transições de fase em um sistema à temperatura nula ‒ zero kelvin ou 273,15 graus celsius negativos ‒, por meio de pressão externa ou um campo magnético.
Nesse hipotético estado de temperatura nula, não há nem calor, nem energia térmica. Assim, as transições que ocorrem nesse cenário são ditas transições de fase quânticas, as quais estabelecem uma conexão entre a termodinâmica (a física clássica do calor e das transformações de fase) e a mecânica quântica (física dos fenômenos nas dimensões atômicas e subatômicas).
Pouco antes, falamos em temperatura nula. Mas ela é impossível de atingir na prática, por causa de uma das leis básicas da termodinâmica, a mesma que garante que não existem máquinas perfeitas, ou seja, que têm 100% de rendimento. Portanto, só há uma forma de estudarmos transições de fase quânticas: investigar seus efeitos ou manifestações em temperaturas muitíssimo baixas, nas proximidades de T = 0 kelvin.
Ponto crítico
Dito isso, entra em cena um composto de nome extravagante: U 4 Ru 7 Ge 6 . Ele é um metal cuja temperatura crítica é igual a T c = 6,8 K (cerca de 266,35 graus celsius negativos), mesmo se estiver à pressão ambiente (P A ). Abaixo dessa temperatura, os momentos magnéticos associados aos átomos de urânio (U) ‘apontam’ todos na mesma direção, dando origem à fase ferromagnética ‒ ou seja, o material se torna um ímã. Acima de T c , aquelas diminutas agulhas de bússola estão todas apontando em direções arbitrárias, e o material está na fase paramagnética (não-ímã).
Vamos, agora, dar uma olhada na figura 1 . Esse tipo de gráfico é chamado diagrama de fases. Nele, notamos que, em principio, poderíamos fazer com que o U 4 Ru 7 Ge 6 passasse da fase ferromagnética para a paramagnética aumentando-se a pressão e mantendo-se a temperatura nula ‒ na prática, muitíssimo perto do 0 kelvin [Em tempo: os dois outros elementos, rutênio (Ru) e germânio (Ge), não têm momentos magnéticos e, portanto, não influem nessa transição de fase].
Figura 1. Diagrama de fases do U 4 Ru 7 Ge 6
Essa transição de fase é dita quântica, pois ocorre à temperatura praticamente nula, e a pressão na qual se dá a passagem de uma fase para outra (P c , na figura 1 ) é chamada ponto crítico quântico (PCQ), o qual, no caso do U 4 Ru 7 Ge 6, vale 1,7 GPa (1,6 bilhão de pascal). Para se ter uma ideia, isso equivale a mais de 10 mil vezes a pressão ao nível do mar.
Comportamento anômalo
Em sua tese de doutorado, Mylena Nascimento, pós-graduanda do CBPF, e um grupo internacional de pesquisadores estudaram o U 4 Ru 7 Ge 6 sob diversas condições de pressão e temperatura. Para isso, foram usados equipamentos que permitem elevar a pressão bem acima do ponto crítico quântico desse material e baixar as temperaturas para algo em torno de 200 milésimos de kelvin.
Os experimentos sob pressão que permitiram ao grupo investigar o que ocorre com o U 4 Ru 7 Ge 6 em situações muito próximas ao ponto crítico quântico (na figura 1 , o semicírculo azul claro) foram realizados no CBPF. Foi justamente aí que a equipe notou que a resistência elétrica desse composto apresenta um comportamento anômalo, diferente do previsto pela teoria usual do transporte elétrico.
Essa anomalia mostrou-se mais marcante ao longo da linha azul tracejada (figura 1) , situação na qual a magnetização do material flutuou de modo muito intenso, como se ocorresse, nesse cenário, uma transição de fase quântica do ferromagnetismo para o paramagnetismo.
Essas flutuações da magnetização ‒ que são quânticas por natureza ‒ geram, no interior do material, ondas de magnetização (mágnons), as quais acabam destruindo, em torno do ponto crítico quântico, o ferromagnetismo do U 4 Ru 7 Ge 6 , levando o composto a uma transição de fase quântica.
Enorme interesse
Experimentalmente, o estudo das transições de fase quânticas só é possível por causa dos efeitos que elas produzem em sistemas físicos a baixíssimas temperaturas. Esses efeitos, por sua vez, permitem inferir o comportamento e a intensidade das flutuações quânticas que se manifestam em torno do ponto crítico quântico.
A tese de Mylena ‒ cujos resultados foram publicados em Physical Review B ‒ foi realizada nos laboratórios do CBPF com a colaboração de mais 10 pesquisadores do Brasil (cinco deles do CBPF) e do exterior. Mylena foi orientada em seu doutorado por Magda Bittencourt Fontes, pesquisadora do CBPF. O trabalho permitiu elucidar características universais das transições de fase quânticas por meio do estudo de um composto especifico de urânio.
Transições de fase quânticas despertam enorme interesse atualmente, tanto por sua natureza ainda misteriosa quanto pelas possíveis aplicações tecnológicas a que elas podem levar no campo da supercondutividade, superfluidez e do magnetismo.
Mucio Continentino
Pesquisador titular
CBPF
Mais informações:
Physical Review B : https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.98.174431
Resenha: https://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/livro-de-pesquisador-do-cbpf-acaba-de-sair-pela-cambridge-press
Entrevista: https://portal.cbpf.br/pt-br/ultimas-noticias/alma-mater-larrea