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Uma pesquisa publicada na revista Physical Review Letters revelou um novo estado exótico da matéria dentro de outro já conhecido. A descoberta ocorreu em um composto magnético identificado em 2016, chamado de fase “meio fogo, meio gelo”, encontrado no material Sr₃CuIrO₆, que contém estrôncio, cobre, irídio e oxigênio.
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Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven (BNL), nos EUA, identificaram o estado oposto: a fase “meio gelo, meio fogo”, na qual os elétrons trocam seus padrões de comportamento.
O conceito-chave para entender essas fases é a frustração magnética, que descreve como as interações entre partículas vizinhas podem gerar estados instáveis. Pequenas alterações podem desencadear mudanças significativas, propagando-se como uma reação em cadeia.
No estado “meio fogo, meio gelo”, os elétrons no cobre permanecem desordenados, como chamas agitadas, enquanto os do irídio se mantêm organizados, criando uma estrutura magnética estável.
A inversão desse estado parecia impossível, pois o modelo matemático usado para descrever essa transição não previa mudanças espontâneas de fase. No entanto, os pesquisadores descobriram que, sob certas condições de temperatura, o sistema se reorganiza. Esse efeito resulta na formação da fase “meio gelo, meio fogo”, em que os elétrons do cobre se ordenam e os do irídio passam a se comportar de forma caótica.
Diferença está na organização dos elétrons
A principal diferença entre esses estados está na organização dos elétrons nos dois elementos. No estado original, o cobre é caótico e o irídio é estável. No estado inverso, o papel de cada um se inverte. Essa descoberta é relevante porque a manipulação precisa dessas transições pode ser aplicada em tecnologia quântica, como na criação de qubits ajustáveis, fundamentais para a computação quântica.
Os materiais magnéticos exibem diversas configurações. Em imãs convencionais, os elétrons giram na mesma direção, criando um campo magnético forte. Já em materiais como Sr₃CuIrO₆, há duas populações de elétrons com comportamentos distintos, formando estados de magnetismo misto. A fase “meio fogo, meio gelo” pode ser induzida por um campo magnético externo, causando uma reorganização nos spins dos elétrons.
O problema era que essa fase, por si só, não sugeria aplicações práticas, pois as mudanças de estado não eram facilmente controláveis. Como os qubits dependem da manipulação dos spins dos elétrons, a existência de uma fase reversível poderia abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de dispositivos quânticos. Essa reversibilidade era a peça que faltava para compreender o comportamento desse material.
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Matéria pode ter mudança de fase controlada
A descoberta da fase “meio gelo, meio fogo” preenche essa lacuna. Os pesquisadores observaram que, em uma faixa estreita de temperatura, ocorre uma transição espontânea entre os dois estados. Isso significa que é possível controlar rigorosamente as mudanças de fase, tornando o material mais útil para aplicações tecnológicas avançadas.
Embora o estudo represente um avanço significativo, ainda há muito a ser explorado. Os pesquisadores planejam investigar se esse fenômeno ocorre em outros sistemas, especialmente aqueles com spins quânticos e outras interações complexas.
“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 Weiguo Yin, físico do BNL, em um comunicado. “Resolver esses problemas pode levar a grandes avanços em tecnologias como computação quântica e spintrônica”.
Para Alexei Tsvelik, também do BNL e parceiro de Yin na pesquisa, as novas descobertas “podem abrir uma nova porta para entender e controlar fases e transições de fase em certos materiais”.
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