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Experimento mostra ordem sendo criada pela desordem
Com informações da Agência Fapesp - 22/04/2019
O sistema começa em uma ordem, desordena-se e, curiosamente, produz uma outra ordem conforme um material vai sendo substituído por outro.
[Imagem: A. Orlova et al. - 10.1103/PhysRevLett.121.177202]
Desordem que gera ordem
O aumento da desordem pode produzir ordem. Esta ideia contraintuitiva foi demonstrada em um experimento coordenado pelo professor Armando Paduan Filho, do Instituto de Física da USP, em colaboração com uma equipe internacional.
"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," explicou Paduan.
Magnetização
O experimento utilizou o cloreto de níquel com tiureia [NiCl2.4CS(NH2)2], um 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, com os momentos magnéticos dos átomos ficando todos paralelos. Em outras palavras, 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.
Após levar a amostra a temperaturas da ordem do milikelvin, os pesquisadores verificaram, por meio de ressonância magnética nuclear, 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.
Entropia produz a ordem e cria nanoestruturas complexas
Condensado de Bose-Einstein
A primeira fase ordenada configurou um condensado de Bose-Einstein, que foi desconfigurado com o acréscimo da impureza. Mas o aumento no percentual de bromo gerou um novo condensado.
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.
Bibliografia:
Artigo: Detection of a Disorder-Induced Bose-Einstein Condensate in a Quantum Spin Material at High Magnetic Fields
Autores: A. Orlova, H. Mayaffre, S. KrÃ¤mer, M. Dupont, S. Capponi, N. Laflorencie, A. Paduan-Filho, M. Horvatic