Mecanismo Kibble-Zurek para transições de fase fora do equilíbrio — Strong The One

As transições de fase descrevem vários fenômenos ao nosso redor, desde a transformação da água em gelo até as transições magnéticas e a transição supercondutora onde a resistência elétrica desaparece. Nos casos de supercondutividade e magnetismo, a transição de fase é contínua, caracterizada pela “quebra de simetria” que leva à formação de um estado ordenado. O estado ordenado é perfeito (livre de defeitos) quando essa transição é muito lenta, regime chamado de “limite adiabático”. Entretanto, para transições que não satisfazem este limite, surgem defeitos topológicos, cuja geração é descrita pelo mecanismo Kibble-Zurek (KZ). Experimentalmente, o mecanismo KZ se manifesta como uma dependência da lei de potência da densidade do defeito na taxa de resfriamento.

Curiosamente, o mecanismo KZ, embora amplamente estudado para transições de fase em equilíbrio térmico, ainda não foi demonstrado experimentalmente para transições de fase fora do equilíbrio. No entanto, um estudo de simulação recente sugeriu que o mecanismo KZ pode ser aplicado a transições de ordenação dinâmica entre estados de fluxo desordenados e ordenados, um fenômeno que pode ser testado experimentalmente em sistemas de vórtices supercondutores.

Para tanto, um grupo de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), Japão, liderado pelo Prof. Satoshi Okuma, mostrou recentemente que o estado de movimento de uma coleção de fluxos magnéticos (vórtices) que penetram em um supercondutor está em processo de não-equilíbrio transição de fase de fluxo desordenado para fluxo de rede ordenado, e os defeitos de rede aparecem espontaneamente de acordo com o mecanismo KZ. Seu estudo inovador foi publicado em Cartas de revisão física (selecionadas como sugestão dos editores).

Em seu trabalho, a equipe preparou um filme em forma de tira de 330 nm de espessura de Mo amorfo_xge_1-x (x ≈ 0,78) em um substrato de silício e depois resfriado para permitir uma transição supercondutora a 6,3 K. Aplicando um campo magnético perpendicular à superfície, os vórtices foram gerados e os experimentos foram realizados a 4,1 K sob uma intensidade de campo de 3,5 T.

A equipe conduziu os vórtices usando uma corrente de condução que foi aumentada linearmente em várias taxas de extinção (dEU/dt). Ao atingir o ponto final da têmpera, a configuração do vórtice foi congelada desligando a corrente abruptamente.

“Em nosso estudo, testamos as previsões de simulação examinando experimentalmente a ordem de configuração dos vórtices depois de passar pela ordenação dinâmica em função da taxa de resfriamento”, explica o Prof. Okuma.

A equipe descobriu que a configuração do vórtice tornou-se menos ordenada com o aumento das taxas de extinção, significando uma transição de fase. “Investigamos os defeitos da rede que aparecem durante essa transição e sua variação com a taxa de resfriamento”, disse o Prof. Okuma. “Descobrimos que a densidade do defeito escala como uma lei de potência com a taxa de têmpera, consistente com o cenário KZ”, destaca ele. A equipe também estimou o expoente da lei de potência (≈ 0,4-0,5), que estava próximo do valor previsto pela simulação (0,39).

“Também observamos um cruzamento impulso-adiabático no lado ordenado da transição, outra previsão importante do mecanismo KZ”, acrescenta o Prof. Okuma.

No geral, este estudo estende a aplicabilidade do mecanismo Kibble-Zurek de transições de fase de equilíbrio para transições de fase de não-equilíbrio, abrindo a porta para inúmeras novas investigações. Dado este resultado marcante, novos desenvolvimentos são esperados no campo de pesquisa de transições de fase fora do equilíbrio.

Fonte da história:

Materiais fornecidos por Instituto de Tecnologia de Tóquio. Observação: o conteúdo pode ser editado quanto ao estilo e tamanho.