Natureza invertida: Material magnético congela quando aquecido

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/07/2022

Em temperaturas mais baixas, os spins assumem padrões aleatórios, onde cada um gira como uma hélice com uma torção particular. Sob aquecimento, os spins escolhem um dos padrões de hélice particulares, travando nele, um fenômeno que normalmente ocorre quando a temperatura diminui.
[Imagem: Radboud University]

Esquenta e congela

Físicos dos Países Baixos observaram um novo tipo estranho de comportamento em um material magnético quando ele é aquecido.

Quando a temperatura sobe, os momentos magnéticos dos átomos que compõem o material - os chamados spins - "congelam", ou travam, em um padrão estático, um fenômeno que normalmente ocorre quando a temperatura diminui.

A temperatura aumenta a energia em um sólido, líquido ou gás, e o mesmo vale para um ímã: Com mais temperatura, os spins começam a chacoalhar.

Mas não no neodímio, um elemento do grupo das terras raras que ajuda a formar um dos ímãs mais fortes que se conhece, quando ele é usado em uma liga com ferro e boro (Nd₂Fe₁₄B).

Quando Benjamin Verlhac e seus colegas subiram a temperatura do neodímio, de -268 ºC para -265 ºC, os spins travaram em um padrão sólido, formando um tipo de ímã. Quando novamente resfriado, o material retorna aos seus padrões aleatórios de spin.

"O comportamento magnético do neodímio que observamos é na verdade o oposto do que 'normalmente' acontece. É bastante contra-intuitivo, como a água que se transformasse em um cubo de gelo quando aquecida," disse o professor Alexander Khajetoorians, da Universidade Radboud.

Esse tipo de fenômeno não é encontrado com frequência na natureza. Existem muito poucos materiais conhecidos que se comportam desse modo invertido. Outro exemplo bem conhecido é o sal de Rochelle, no qual as cargas elétricas se acumulam e formam um padrão ordenado em temperaturas mais altas, mas se distribuem aleatoriamente em temperaturas mais baixas.

O neodímio compõe ímãs superfortes, com inúmeras aplicações tecnológicas - mas o estranho fenômeno ocorreu perto do zero absoluto.
[Imagem: Benjamin Verlhac et al. - 10.1038/s41567-022-01633-9]

Vidro de spin

O neodímio é um elemento descrito como um "vidro de spin autoinduzido", um tipo de material exótico cujo estudo rendeu o Nobel de Física de 2016.

Vidros de spin são tipicamente ligas onde os átomos de ferro, por exemplo, são misturados aleatoriamente em uma grade de átomos de cobre. Cada átomo de ferro se comporta como um pequeno ímã, ou um spin. Esses spins colocados aleatoriamente apontam em todas as direções.

Mas, diferentemente dos vidros de spin convencionais, onde há uma mistura aleatória de materiais magnéticos, o neodímio é um elemento, e, sem quantidades significativas de nenhum outro material, apresenta um comportamento vítreo em sua forma cristalina. Os spins (momentos magnéticos dos seus átomos) formam padrões que giram como uma hélice, e esse turbilhão é aleatório e muda constantemente.

O comportamento estranho e invertido, descoberto agora, está ligado ao conceito de degeneração, quando muitos estados diferentes têm a mesma energia e o sistema fica frustrado - frustração magnética não permite justamente que os spins se estabilizem em uma única direção.

O efeito da temperatura é quebrar essa situação: Alguns estados sobrevivem, permitindo que o sistema se estabeleça claramente em um padrão - o tal do "congelamento" dos spins.

Isso é interessante do ponto de vista prático porque poderá eventualmente ser usado em novos tipos de armazenamento de informações ou mesmo em conceitos computacionais, como na computação neuromórfica, semelhante ao cérebro.

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