Nova forma de modificar materiais pode gerar inovações tecnológicas

Estudo da mudança de estado físico dos materiais será base para aplicações em computação e supercondutores

Em alguns materiais, mudança de estado físico acontece quando temperatura se aproxima do zero absoluto (0 graus Kelvin, equivalente a 273 graus Celsius negativos), fenômeno chamado de transição de fase quântica, pois ocorre em baixos níveis de energia  – Arte sobre Imagens/Sequential localization of a complex electron fluid/PNAS/July 26, 2019

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Quando o gelo é aquecido e transforma-se em água, se diz que ele passou por uma transição de fase termodinâmica, quer dizer, a temperatura atua como um parâmetro de controle que muda o estado físico, de sólido para líquido. No entanto, em alguns materiais podem ser observadas transições de fase não termodinâmicas, ou seja, o estado físico se altera quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, isto é, 0 graus Kelvin (K), equivalente a 273 graus Celsius (oC) negativos. Esse fenômeno é chamado de transição de fase quântica e o ponto que separa os estados físicos em zero Kelvin é conhecido como ponto crítico quântico.

Entender as mudanças na organização dos elétrons que compõem os materiais nas transições de fase quântica é o objetivo de uma pesquisa do Instituto de Física (IF) da USP. O estudo, realizado com colaboração internacional, descobriu dois pontos críticos quânticos nos quais os elétrons, submetidos a temperaturas extremamente baixas e campos magnéticos intensos, se agrupam ou se espalham coletivamente, causando uma mudança de estado físico do material. A descoberta servirá de base para estudos sobre o comportamento dos elétrons nesses novos estados físicos, que poderão ser o caminho para obter novas propriedades físicas no transporte eficiente de elétrons (supercondutores) ou de informação (computação quântica).

Larrea Jiménez: novos estados físicos mudam propriedades de materiais  – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Os elétrons, uma das partículas que formam os átomos na matéria, possuem diferentes formas de manifestação, conhecidas como graus de liberdade: orbital (distribuição espacial em torno dos núcleos dos átomos), spin (quando são orientados pelo magnetismo) e carga intrínseca. “O objetivo principal é entender como os elétrons, com forte interação entre eles, se comportam coletivamente quando estão no nível quântico, ou seja, em uma escala de baixa energia, em geral sob baixíssimas temperaturas”, afirma o físico Julio Antonio Larrea Jiménez, professor do IF, que realizou a pesquisa em parceria com a professora Valentina Martelli, também do IF.

No nível quântico, há uma mudança no comportamento dos elétrons, o que leva a uma reorganização e ao surgimento de novos estados físicos, abrindo a possibilidade de aplicações tecnológicas que atualmente não podem ser realizadas com materiais convencionais. “No cobre, por exemplo, os elétrons são portadores de carga, mas fracamente interagentes. Assim, grande parte da corrente elétrica neste metal se perde devido ao espalhamento de seus elétrons”, explica o professor. “Esta situação poderia ser revertida se, por exemplo, o transporte de elétrons pudesse ser realizado com estados coletivos que envolvam o orbital e o spin, transportando corrente de forma mais eficiente.”

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Dispositivos usados em experimentos de transição de fase quântica, visando a entender fatores que alteram organização dos elétrons e condutividade elétrica de materiais, como temperatura, magnetismo e pressão – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

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Pontos críticos quânticos

De acordo com o físico, não é possível visualizar diretamente os elétrons, mas seu comportamento é estudado por meio de experimentos de transporte elétrico. “No trabalho, isso foi feito em um material monocristalino, que permite referenciar a orientação em seu interior, conhecido como férmion pesado Ce3Pd20Si6”, aponta Larrea Jiménez. “Este material, devido a sua estrutura cristalina cúbica, proporciona a possibilidade de estudar as interações dos elétrons livres de condução com aqueles elétrons localizados, desacoplando perto de um ponto crítico quântico os graus de liberdade eletrônicos de cargas, orbital e spin, este último podendo produzir ordem magnética”, explica o professor.

Os experimentos encontraram dois pontos críticos quânticos induzidos pelo aumento da intensidade do campo magnético aplicado no material. “No primeiro, há uma supressão da ordem magnética, ou seja, os elétrons perdem o acoplamento dos spins com os elétrons de condução e, na medida em que se separam, os elétrons livres mantêm o acoplamento com os orbitais dos elétrons localizados”, descreve o físico. “No segundo, que é mais raro, o aumento do campo magnético, onde a transição de fase é observada, quebra também o acoplamento com os orbitais.”

Novos estudos verificarão propriedades dos elétrons nos novos estados físicos obtidos por meio de transições de fase quânticas – Foto: Marcos Santos/USP Imagens

Larrea Jiménez aponta que mesmo com a manipulação e a separação dos graus de liberdade dos elétrons, eles continuam a interagir entre si, levando à formação de novos estados da matéria quântica. “O desafio é entender esses estados emergentes, de modo que possam ser direcionados para futuras aplicações”, afirma. “O conhecimento sobre os novos estados pode ser aplicado para desenvolver a supercondutividade na temperatura ambiente, enquanto que entender o efeito da separação do spin dos elétrons pode ser utilizado na spintrônica.” Na spintrônica, a corrente elétrica, usada por exemplo no processamento de dados em computadores, é controlada a partir do spin dos elétrons, fazendo com que o fluxo seja mais rápido e com menor perda de energia.

Os experimentos em condições extremas (temperaturas extremamente baixas e campos magnéticos intensos) foram realizados na Universidade Técnica de Viena, na Áustria, com supervisão da professora Silke Paschen, do grupo de Materiais Quânticos. A parte teórica do estudo teve a colaboração do grupo do professor Qimiao Si, da Universidade Rice, nos Estados Unidos. O trabalho é descrito no artigo Sequential localization of a complex electron fluid, publicado em 20 de agosto pela revista científica PNAS.

“As pesquisas continuam com a verificação das propriedades elétricas e magnéticas dos estados emergentes, além da manipulação dos elétrons com o uso de novos parâmetros de controle, como, por exemplo, condições extremas de pressão”, planeja o físico. Os novos estudos serão realizados no Laboratório de Física dos Materiais do IF, com apoio do Programa Jovens Pesquisadores da Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (Fapesp).
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Mais informações: e-mail larrea@if.usp.br, com o professor Julio Antonio Larrea Jiménez
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