Construir ordem por meio da desordem

O aumento da desordem pode produzir ordem. Esta ideia contraintuitiva foi demonstrada, por colaboração internacional, em um experimento coordenado por Armando Paduan Filho, professor no Instituto de Física da Universidade de São Paulo (IF-USP), que resultou em artigo publicado na revista Physical Review Letters.

“Uma maneira de entender essa ideia é considerar um ímã, cuja propriedade de atrair outros corpos está fundamentada na existência de pequenas partículas que possuem momento magnético e que se ordenam macroscopicamente. Se acrescentarmos impurezas ao material, pouco a pouco, enfraquecemos o ímã, podendo chegar a um ponto em que a ordem magnética seja inteiramente destruída e o antigo ímã deixe de se comportar como tal. Porém, se continuarmos acrescentando impurezas, uma nova ordem poderá ser eventualmente instaurada, com o objeto voltando a se imantar. Isto é, à primeira vista, paradoxal. Mas ocorre na natureza. O que fizemos foi reproduzir esse tipo de processo em laboratório”, disse Paduan à Agência FAPESP.

O estudo enfocou o cloreto de níquel com tiureia [NiCl2.4CS(NH2)2], material não magnético em temperatura ambiente. Porém, resfriado a temperaturas da ordem de 1 Kelvin (K) – ou 272,15 graus Celsius (°C) negativos – e submetido a campos magnéticos, o sistema se ordena. Os momentos magnéticos dos átomos ficam todos paralelos e o material se torna magnético.

Em temperaturas menores do que 1K, os pesquisadores substituíram, incrementalmente, o cloro (Cl) pelo bromo (Br). Com cerca de 20% de substituição, o sistema deixou de apresentar ordem magnética, mesmo sob a aplicação de um campo magnético. Porém, prosseguindo a substituição para além dos 20%, chegaram a um ponto em que o sistema passou a apresentar uma nova ordem magnética. E algumas regiões do material voltaram a se comportar como ímãs.

“O material foi caracterizado no IF-USP e, depois, enviado a Grenoble, na França, ao Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses, do Centre National de la Recherche Scientifique [LNCMI-CNRS], que trabalha com temperaturas da ordem do milikelvin [0,001 K]”, disse Paduan.

“Nessa temperatura baixíssima, foi feita a ressonância magnética nuclear [NMR, na sigla em inglês] da amostra, de aproximadamente 100 miligramas. A NMR consiste em imprimir uma perturbação ao material e investigar como ele responde. Varia-se a frequência da perturbação até que os átomos entrem em ressonância com ela. Com base na frequência de ressonância, é possível determinar a estrutura magnética do material”, explicou.

Após levar a amostra a temperaturas da ordem do milikelvin, os pesquisadores verificaram, por meio de NMR, a existência de uma nova fase ordenada. Essa nova fase não se constituiu no material inteiro, mas em volta das impurezas acrescentadas. O bromo funcionou como um catalisador, provocando o surgimento e o crescimento de ordens locais.

“A primeira fase ordenada configurava um condensado de Bose-Einstein [BEC, conforme as iniciais da expressão em inglês]. Ele foi desconfigurado com o acréscimo da impureza. O aumento no percentual de bromo configurou um novo BEC”, disse Paduan.

Muitas vezes referido como o “quinto estado da matéria” (sendo os quatro primeiros o sólido, o líquido, o gasoso e o plasma), o condensado de Bose-Einstein é obtido quando um conjunto de bósons (que são partículas com momento magnético inteiro) tem sua temperatura resfriada quase ao zero absoluto.

Nessas condições, as partículas bosônicas não possuem energia livre para se movimentar umas em relação às outras e algumas delas passam a compartilhar os mesmos estados quânticos, tornando-se indistinguíveis. Assim, obedecem à chamada estatística de Bose-Einstein, aplicada a partículas idênticas. No condensado, as partículas se comportam como se fossem uma única partícula. Ou, caso adotemos a descrição ondulatória, como se todas as ondas que as constituem formassem uma única onda.

“Do ponto de vista teórico, a grande vantagem proporcionada pelo condensado é que o material, cuja descrição exaustiva demandaria bilhões de equações, pode ser agora descrito por meio de uma única equação de onda”, disse Paduan.

O artigo Detection of a Disorder-Induced Bose-Einstein Condensate in a Quantum Spin Material at High Magnetic Fields, de A. Orlova, H. Mayaffre, S. Krämer, M. Dupont, S. Capponi, N. Laflorencie, A. Paduan-Filho e M. Horvatic, está publicado em https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.121.177202. O artigo também pode ser acessado na plataforma Arxiv, em https://arxiv.org/pdf/1801.01445.pdf.