Descoberta nova fase da matéria: Meio gelo, meio fogo

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/03/2025

Interpretação gráfica dos estados "meio gelo, meio fogo" e "meio fogo, meio gelo" (esquerda). O gráfico (direita) mostra a mudança de entropia magnética no plano do campo magnético (h) versus temperatura (T). O ponto preto na temperatura zero indica onde o estado meio fogo, meio gelo aparece. A linha tracejada indica onde o estado meio gelo, meio fogo se esconde.
[Imagem: Yin/Tsvelik - 10.1103/PhysRevLett.133.266701]

Metade fogo, metade gelo

Físicos do Laboratório Nacional Brookhaven, nos EUA, conseguiram finalmente compreender e descrever um fenômeno exótico no qual eles vêm trabalhando há uma década: É mesmo uma nova fase da matéria.

A fase é caracterizada por um padrão nunca antes visto de spins de elétrons, os pequenos momentos magnéticos "para cima" e "para baixo" que cada elétron possui.

Na transição de fase recém-descoberta, o material passa a apresentar uma combinação de spins "frios", altamente ordenados, e spins "quentes", altamente desordenados. Por isso a nova fase da matéria foi batizada de "metade gelo, metade fogo", ou "meio fogo, meio gelo" (MFMG).

"Meio gelo, meio fogo é notável não apenas porque nunca foi observada antes, mas também porque é capaz de acionar uma comutação extremamente brusca entre fases no material a uma temperatura razoável e finita. Esse fenômeno pode um dia resultar em aplicações nas indústrias de energia e tecnologia da informação," disse o professor Weiguo Yin.

Spins (a) frustrados e (b) não frustrados em rede triangular. (c) Spins frustrados na estrutura do favo de mel. Embaixo, uma ilustração do ponto crítico "meio fogo, meio gelo", no qual os spins em uma sub-rede estão totalmente desordenados e na outra estão totalmente ordenados.
[Imagem: Weiguo Yin et al. - 10.1103/PhysRevB.109.054427]

Computação magnética

Os pesquisadores descobriram a nova fase enquanto estudavam um modelo unidimensional de um tipo de material magnético chamado ferrimagneto, um composto magnético de estrôncio, cobre, irídio e oxigênio (Sr₃CuIrO₆).

Nos ferrimagnetos, alguns dos átomos estão alinhados em uma direção e outros estão alinhados precisamente na direção oposta. Como resultado, o campo magnético geral que eles produzem depende do equilíbrio entre os dois tipos de alinhamento - se houver mais átomos apontados para um lado do que para o outro, essa diferença produzirá um campo magnético líquido naquela direção.

Por conta de suas propriedades magnéticas serem fortemente influenciadas por forças externas, os materiais ferrimagnéticos devem ser capazes de armazenar dados ou mesmo viabilizar circuitos lógicos magnéticos, em vez de elétricos, que são muito mais rápidos e capazes de acomodar mais dados em um determinado espaço do que os ferromagnetos convencionais de hoje, além de não perderem os dados na falta de energia - além disso, a computação magnética é super eficiente.

Estrutura atômica do ferrimagneto, que permite controlar o magnetismo eletricamente.
[Imagem: Mantao Huang et al. - 10.1038/s41565-021-00940-1]

Meio fogo, meio gelo e meio gelo, meio fogo

A transição do ferrimagneto para a fase meio-fogo, meio-gelo é induzida pela aplicação de um campo magnético externo. Sob a ação do magnetismo, os spins "quentes" nos sítios de cobre do material ficam totalmente desordenados na rede atômica, apresentando momentos magnéticos menores, enquanto os spins "frios" nos sítios de irídio ficam totalmente ordenados, apresentando momentos magnéticos maiores.

"Mas, apesar de nossa extensa pesquisa, ainda não sabíamos como esse estado poderia ser utilizado, especialmente porque é bem conhecido há um século que o modelo de Ising unidimensional, um modelo matemático estabelecido de ferromagnetismo que produz o estado meio-fogo, meio-gelo, não hospeda uma transição de fase de temperatura finita," disse Alexei Tsvelik. "Estávamos perdendo peças do quebra-cabeça."

Agora eles identificaram a peça que faltava nesse quebra-cabeça: A transição de fase pode ser obtida por um cruzamento de fase ultraestreito em uma temperatura finita fixa.

E saber disso permitiu uma outra descoberta: A de que a fase "meio fogo, meio gelo" tem um estado oposto, oculto, no qual os spins quentes e frios trocam de posição. Ou seja, os spins quentes tornam-se frios, e os spins frios tornam-se quentes, criando uma nova fase invertida, por isso chamada de "meio gelo, meio fogo".

O trabalho da dupla revelou que a comutação entre fases ocorre em uma faixa de temperatura ultraestreita, e Yin e Tsvelik já sugeriram possíveis maneiras de como isso poderá ser usado em aplicações futuras. Por exemplo, a comutação de fase ultranítida com uma mudança gigante de entropia magnética oferecida pela fase "meio fogo, meio gelo" poderá ser útil para tecnologias de refrigeração. O fenômeno também poderá ser usado como base para um novo tipo de tecnologia de armazenamento de informações quânticas na qual as fases atuam como bits.

"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."

Mais tópicos