O tempo nos ensinou que os estados da matéria que conhecemos no ensino médio (sólido, líquido, gasoso e plasma) são apenas a ponta do iceberg. Nas profundezas da física quântica e dos materiais magnéticos existem fases exóticas que podem revolucionar as tecnologias do futuro. É o caso da recente descoberta dos físicos Weiguo Yin e Alexei Tsvelik do Laboratório Nacional Brookhaven, que identificou uma nova fase em um ferrimagneto unidimensional: um estado chamado “metade gelo, metade fogo”.
Esta configuração extraordinária consiste num padrão de spins eletrônicos em que Estados altamente ordenados coexistem (frio como gelo) e altamente desordenado (quente como fogo). A história desta descoberta, publicado na prestigiada revista Physical Review Letters, está enraizada em mais de uma década de pesquisa e representa uma peça fundamental na compreensão de materiais magnéticos.
Um pequeno passo para trás: o que é um ferrimagneto em poucas (e espero que simples) palavras.
Imagine uma equipe de cabo de guerra onde 5 pessoas estão puxando de um lado e 3 do outro. A corda se moverá em direção ao lado com mais pessoas, mas ainda haverá tensão em ambos os lados. O ferrimagneto é como aquela corda, ele tem um magnetismo “líquido” mesmo que as forças magnéticas internas se “neutralizem” um pouco.
Em suma: um ferrimagneto é um material que, a nível microscópico, possui átomos com momentos magnéticos alinhados em direções opostas, ma momentos em uma direção são mais fortes do que na outra.
Uma jornada que começou há dez anos
A descoberta dessa nova fase da matéria não surgiu do nada. A jornada começou em 2012, quando Yin e Tsvelik fizeram parte de uma colaboração multi-institucional liderada pelo físico John Hill do Laboratório Brookhaven. O grupo estava estudando um composto magnético chamado Sr3CuIrO6 (um material baseado em estrôncio, cobre, irídio e oxigênio). Esse trabalho também levou a duas publicações na Physical Review Letters, uma orientada experimentalmente em 2012 e outra focada na teoria em 2013.
Apesar da extensa pesquisa, no entanto, algo ainda estava faltando. Como Tsvelik salienta,
“Mesmo depois de nossa extensa pesquisa, ainda não sabíamos como esse estado poderia ser usado.”
O modelo matemático de Ising, que produzia o estado “metade fogo, metade gelo”, era conhecido há um século por não acomodar transições de fase de temperatura finita. Faltavam peças-chave do quebra-cabeça.
Yin identificou recentemente uma pista para as peças que faltam. Em duas publicações, ele demonstrou que a transição de fase “proibida” poderia ser abordada por um fenômeno de cruzamento ultraestreito em temperatura finita fixa.
Em palavras ainda mais simples? Yin descobriu que mesmo que uma transformação pareça impossível, você pode “enganar” o sistema para que aconteça de uma forma muito específica e controlada, a uma determinada temperatura. É como encontrar uma passagem secreta do ponto A ao ponto B, mesmo que a rota direta esteja bloqueada.
Quando o gelo e o fogo trocam de lugar
Em sua pesquisa atual, Yin e Tsvelik descobriram que “metade fogo, metade gelo” tem um estado oculto e oposto no qual os spins quente e frio trocam de posição. Em outras palavras, giros quentes tornam-se frios e giros frios tornam-se quentes.
O modelo revela que a transição entre fases ocorre em uma faixa de temperatura extremamente estreita, e os pesquisadores já sugeriram possíveis aplicações futuras. Por exemplo, esse fenômeno de comutação ultraprecisa com uma mudança gigantesca na entropia magnética pode ser útil para tecnologias de refrigeração. Além disso, poderia formar a base para um novo tipo de tecnologia de armazenamento de informações quânticas na qual as fases atuam como bits.
Ferrimagnet e a fase “Meio Gelo, Meio Fogo”: Implicações e Perspectivas Futuras
A descoberta desta nova fase da matéria é significativa. Não apenas porque nunca foi observado antes, mas também porque é capaz de provocar uma comutação de fase extremamente rápida no material a uma temperatura razoável e finita.
“Encontrar novos estados com propriedades físicas exóticas e ser capaz de entender e controlar as transições entre esses estados são problemas centrais nos campos da física da matéria condensada e da ciência dos materiais”, disse Yin.
“Resolver esses problemas pode levar a grandes avanços em tecnologias como computação quântica e spintrônica.”
Tsvelik acrescentou:
“Sugerimos que nossas descobertas podem abrir uma nova porta para a compreensão e controle de fases e transições de fase em certos materiais.”
O próximo passo para os pesquisadores será explorar o fenômeno “fogo-gelo” em sistemas com spins quânticos e graus de liberdade adicionais de rede, carga e orbital. Como ele afirmou Yin, “a porta para novas possibilidades está agora aberta”.
O que me impressiona é como essa descoberta representa o exemplo perfeito de quão surpreendente e imprevisível a pesquisa fundamental pode ser. O que começou como o estudo de um modelo unidimensional simples revelou uma fenômeno físico completamente novo, com aplicações potenciais que vão desde tecnologias de energia até computação quântica.
Às vezes, é justamente nos sistemas mais simples que se escondem as complexidades mais fascinantes da natureza.
