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Matéria sempre tende a se ordenar em baixas temperaturas

Publicado em 27 julho 2020

Por José Tadeu Arantes, da Agência FAPESP

As transições de fase clássicas são regidas pela temperatura. Os exemplos mais conhecidos são as transições da água da fase sólida para a líquida e da líquida para a gasosa. Porém, quando a temperatura tende ao zero absoluto, outros parâmetros passam a reger as transições. Entre eles, destacam-se a pressão, o campo magnético e a dopagem do material, que introduz desordem na estrutura molecular.

O artigo Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets publicado em Scientific Reports, do grupo Nature, que trata o assunto do ponto de vista teórico, resultou de discussões realizadas em laboratório no contexto dos trabalhos de doutoramento dos dois autores principais, Lucas Squillante e Isys Mello, orientados, no Departamento de Física da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro, por Mariano de Souza.

O estudo recebeu apoio da FAPESP por meio de auxílio ao projeto “Investigação das propriedades termodinâmicas e de transporte de sistemas eletrônicos fortemente correlacionados”, conduzido por Souza.

Representação esquemática do diagrama de fases “Temperatura T versus campo magnético externo B”, para uma transição de fase quântica sob a aplicação de campo magnético externo. Em (a), o ponto crítico quântico (azul claro) sofre uma transição de fase quando o campo magnético externo atinge um certo valor crítico. Em (b), é mostrado um ponto crítico quântico hipotético para B = 0 e T = 0 (ponto em vermelho). O gradiente em vermelho representa o papel das interações mútuas entre momentos magnéticos. Tais interações se tornam cada vez mais relevantes ao se diminuir a temperatura. As linhas tracejadas em ambos os painéis representam linhas de transição (crossover)

“Em materiais paramagnéticos, sempre há uma diminuta contribuição de muitos corpos para a energia do sistema. Essa contribuição pode ser considerada como um pequeno campo magnético local efetivo. Geralmente, tal campo é desprezado, pelo fato de a energia associada a ele ser muito pequena quando comparada com a energia associada a flutuações térmicas ou a campos magnéticos externos. Mas, quando a temperatura e o campo magnético externo tendem a zero, as contribuições de muitos corpos se tornam bastante expressivas”, diz Souza à Agência FAPESP.

O estudo mostrou que, devido à interação de muitos corpos, a matéria sempre tende a se ordenar em baixas temperaturas. Assim, o modelo de um gás de spins não interagentes não ocorre na realidade, porque a interação de muitos corpos entre os spins que constituem o sistema imporia um ordenamento.

“Verificamos que, em materiais reais, não é possível existir um ponto crítico no qual ocorra uma transição de fase quântica em campo zero genuína, porque sempre perdura esse campo magnético residual, decorrente das interações de muitos corpos. Devido a essa interação, em um contexto mais amplo, é impossível obter uma condensação de Bose-Einstein ideal”, afirma Souza.

Vale lembrar aqui que a condensação de Bose-Einstein – muitas vezes referida como o “quinto estado da matéria”, sendo os quatro primeiros o sólido, o líquido, o gasoso e o plasma – é obtida quando um conjunto de átomos tem sua temperatura resfriada quase ao zero absoluto. Nessas condições, as partículas já não possuem energia livre para se movimentarem umas em relação às outras, e passam a compartilhar os mesmos estados quânticos, comportando-se como se fossem uma única partícula.

Concebida e calculada teoricamente pelo físico indiano Satyendra Nath Bose (1894-1974) e por Albert Einstein (1879-1955) em 1924, a condensação de Bose-Einstein veio a ser produzida experimentalmente sete décadas mais tarde, por Eric Cornell, Carl Wieman e Wolfgang Ketterle, em 1997, utilizando um gás de rubídio ultrarresfriado. Por essa realização, os três cientistas receberam o Prêmio Nobel de Física de 2001.

“O que o nosso estudo mostrou foi que, embora uma condensação de Bose-Einstein não ideal possa ser obtida experimentalmente, a condição ideal da condensação não pode ser alcançada. Isso porque ela pressupõe que as partículas não se percebam, isto é, não interajam umas com as outras. E essa interação residual sempre ocorre, mesmo nas vizinhanças de zero kelvin”, explica Souza.

“Outra descoberta foi que é possível magnetizar adiabaticamente [isto é, sem ganho ou perda de calor] o material valendo-se apenas dessas interações mútuas”, acrescenta o pesquisador.

O artigo Unveiling the Physics of the Mutual Interactions in Paramagnets, assinado também por Antonio Carlos Seridonio (Unesp, Ilha Solteira, SP), Roberto Eugenio Lagos Mônaco (Unesp, Rio Claro) e Harry Eugene Stanley (Boston University, EUA), pode ser acessado em https://www.nature.com/articles/s41598-020-64632-x.

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