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Água e ímãs quânticos compartilham física crítica
Na física, as coisas existem em fases, como os estados sólido, líquido e gasoso. Quando algo passa de uma fase para outra, falamos sobre uma transição de fase - como a água fervendo em vapor, passando do líquido ao gás.
Por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne - 14/04/2021


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Na física, as coisas existem em fases, como os estados sólido, líquido e gasoso. Quando algo passa de uma fase para outra, falamos sobre uma transição de fase - como a água fervendo em vapor, passando do líquido ao gás.

Em nossas cozinhas, a água ferve a 100 graus C e sua densidade muda drasticamente, dando um salto descontínuo do líquido para o gasoso. Porém, se aumentarmos a pressão, o ponto de ebulição da água também aumenta, até uma pressão de 221 atmosferas onde ferve a 374 graus C. Aqui, algo estranho acontece: o líquido e o gás se fundem em uma única fase. Acima desse "ponto crítico", não há mais uma transição de fase e, portanto, ao controlar sua pressão, a água pode ser direcionada do líquido ao gás sem nunca cruzar um.

Existe uma versão quântica de uma transição de fase semelhante à da água? "As direções atuais no magnetismo quântico e spintrônica requerem interações altamente spin-anisotrópicas para produzir a física das fases topológicas e qubits protegidos, mas essas interações também favorecem as transições de fase quântica descontínuas", disse o professor Henrik Rønnow na Escola de Ciências Básicas da EPFL.

Estudos anteriores se concentraram em transições de fase suaves e contínuas em materiais magnéticos quânticos . Agora, em um projeto experimental e teórico conjunto liderado por Rønnow e o Professor Frédéric Mila, também na Escola de Ciências Básicas, físicos da EPFL e do Instituto Paul Scherrer estudaram uma transição de fase descontínua para observar o primeiro ponto crítico em um ímã quântico , semelhante ao da água. O trabalho já foi publicado na Nature .

Os cientistas usaram um antiferroímã quântico, conhecido na área como SCBO (por sua composição química: SrCu 2 (BO 3 ) 2 ). Os antiferromagnetos quânticos são especialmente úteis para entender como os aspectos quânticos da estrutura de um material afetam suas propriedades gerais - por exemplo, como os spins de seus elétrons interagem para dar suas propriedades magnéticas . O SCBO também é um ímã "frustrado", o que significa que seus spins de elétrons não podem se estabilizar em alguma estrutura ordenada e, em vez disso, adotam alguns estados flutuantes quânticos exclusivos.

Em um experimento complexo, os pesquisadores controlaram a pressão e o campo magnético aplicado a pedaços de miligramas de SCBO. "Isso nos permitiu olhar ao redor da transição de fase quântica descontínua e dessa forma encontramos a física do ponto crítico em um sistema de spin puro", diz Rønnow.

A equipe realizou medições de alta precisão do calor específico do SCBO, o que mostrou sua prontidão para absorver energia. Por exemplo, a água absorve apenas pequenas quantidades de energia a -10 graus C, mas a 0 graus C e 100 graus C, ela pode consumir grandes quantidades, pois cada molécula é conduzida através das transições de gelo para líquido e de líquido para gás. Assim como a água, a relação pressão-temperatura do SCBO forma um diagrama de fase mostrando uma linha de transição descontínua que separa duas fases magnéticas quânticas, com a linha terminando em um ponto crítico.

“Agora, quando um campo magnético é aplicado, o problema fica mais rico do que a água”, diz Frédéric Mila. "Nenhuma das fases magnéticas é fortemente afetada por um pequeno campo, então a linha se torna uma parede de descontinuidades em um diagrama de fase tridimensional - mas então uma das fases se torna instável e o campo ajuda a empurrá-la para uma terceira fase."

Para explicar esse comportamento quântico macroscópico, os pesquisadores se juntaram a vários colegas, particularmente o professor Philippe Corboz da Universidade de Amsterdã, que tem desenvolvido novas técnicas poderosas baseadas em computador.

“Anteriormente, não era possível calcular as propriedades de ímãs quânticos 'frustrados' em um modelo bidimensional ou tridimensional realista”, diz Mila. "Portanto, o SCBO fornece um exemplo oportuno em que os novos métodos numéricos encontram a realidade para fornecer uma explicação quantitativa de um fenômeno novo para o magnetismo quântico ."

Henrik Rønnow conclui: "Olhando para o futuro, a próxima geração de materiais quânticos funcionais será trocada por transições de fase descontínuas , então uma compreensão adequada de suas propriedades térmicas certamente incluirá o ponto crítico , cuja versão clássica é conhecida pela ciência há dois séculos. "

 

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