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Direto da Ciência

Pesquisadores obtêm condensado de Bose-Einstein com o composto cloreto de níquel

Publicado em 10 fevereiro 2017

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – O condensado de Bose-Einstein – muitas vezes referido como o “quinto estado da matéria” [sendo os quatro primeiros o sólido, o líquido, o gasoso e o plasma] – é obtido 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 algumas delas, denominadas bósons, passam a compartilhar os mesmos estados quânticos, tornando-se portanto indistinguíveis. Assim, obedecem à chamada estatística de Bose-Einstein, aplicada a partículas idênticas. No condensado de Bose-Einstein, as partículas se comportam como se fossem uma única partícula.

Concebido e calculado teoricamente pelo físico indiano Satyendra Nath Bose (1894 – 1974) e por Albert Einstein (1879 – 1955) em 1924, o condensado de Bose-Einstein veio a ser produzido 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.

Pesquisa realizada por uma colaboração internacional produziu recentemente o equivalente de um condensado de Bose-Einstein com o composto cloreto de níquel. E – o que é ainda mais importante – obteve, a partir do tratamento teórico dos dados, um conjunto de equações que podem ser aplicadas a outros materiais não caracterizados como condensados de Bose-Einstein.

O físico Armando Paduan Filho, professor titular do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, participou do estudo, no âmbito do projeto temático “Pesquisas em novos materiais envolvendo campos magnéticos intensos e baixas temperaturas”, apoiado pela FAPESP. Artigo relatando o estudo foi publicado em janeiro de 2017 na Physical Review B: “Nuclear magnetic resonance study of the magnetic-field-induced ordered phase in the NiCl2-4SC(NH2)2 compound”.

“Em temperaturas próximas do zero absoluto e na presença de um campo magnético muito intenso, o composto cloreto de níquel comporta-se como um condensado de Bose-Einstein. E isso faz como que seja possível descrever as propriedades de um grande conjunto de átomos por meio de uma única equação, uma única função de onda”, disse Paduan Filho à Agência FAPESP.

Tal possibilidade viabiliza cálculos que de outra maneira seriam impraticáveis. Por exemplo, sabe-se que o momento magnético de um corpo macroscópico pode ser calculado pela composição dos momentos magnéticos dos átomos que o constituem. Mas, na prática, essa operação se torna inviável, dada a enorme quantidade de átomos e interações envolvidos. “Um meio de resolver o problema é usar as estatísticas da mecânica quântica. Neste caso, devemos pensar os átomos não como pontos, ou sólidos, mas como ondas”, afirmou o pesquisador.

Nos bósons, isto é, nos materiais que obedecem à estatística de Bose-Einstein, todas as ondas associadas às supostas partículas que os constituem são iguais. Por outro lado, quanto menor a temperatura de um material, maiores os comprimentos de onda de suas partículas constituintes. Assim, nas vizinhanças do zero absoluto, os comprimentos aumentam até todas as ondas se tocarem. “Passamos a ter então uma situação em que todas as ondas são iguais e todas as ondas se tocam. Com isso, podemos representar todas elas por uma única onda. Emissões de energia, propriedades elétricas, magnéticas, térmicas, luminosas etc. podem ser calculadas por meio de uma única função de onda”, resumiu Paduan Filho.

Estudando o cloreto de níquel, os pesquisadores constataram que, resfriando o material quase ao zero absoluto e submetendo-o a um forte campo magnético, seus átomos passavam a se comportar como bósons e o conjunto podia ser caracterizado como um condensado de Bose-Einstein. “O fato de os átomos poderem ser percebidos como ondas é um dado experimental, que corrobora a teoria. Agora, dizer que formam um condensado de Bose-Einstein vem da aplicação de um instrumento teórico para explicar as propriedades observadas”, ponderou o pesquisador.

Pesquisas com o cloreto de níquel focadas nas propriedades magnéticas vêm sendo realizadas há mais de uma década no Instituto de Física da USP. “Há materiais cujos átomos exibem momentos magnéticos desordenados na temperatura ambiente, mas que se ordenam quando resfriados. Descobrimos que tal ordenação não ocorre no cloreto de níquel, mas que, em temperaturas muito baixas e na presença de fortes campos magnéticos, ele apresenta um momento magnético induzido”, informou Paduan Filho.

Os estudos avançaram por meio de colaborações internacionais, entre elas, com o National High Magnetic Field Laboratory, de Los Alamos, Estados Unidos, e com o Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, de Grenoble, França. Essas parcerias possibilitaram aos pesquisadores alcançar temperaturas da ordem de um milikelvin [um milésimo de grau acima do zero absoluto] e utilizar técnicas como a ressonância magnética nuclear (NMR, na sigla em inglês) para investigar a matéria na escala atômica e subatômica. Foi assim que a caracterização dos átomos ultrafrios de cloreto de níquel como condensado de Bose-Einstein pôde ser realizada.

“Concomitantemente com a experiência, nossa colaboração produziu também um consistente trabalho teórico. E chegamos a um conjunto de equações que, com algumas transposições, podem ser aplicadas a outros materiais que não sejam condensados”, enfatizou o pesquisador. O emprego dessas equações oferece grandes perspectivas, não apenas para a pesquisa básica da estrutura da matéria, mas também para uma futura aplicação tecnológica, uma vez que um grande número de equipamentos utilizados na vida cotidiana funciona com base em propriedades magnéticas.