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Muitas substâncias mudam suas propriedades quando são resfriadas abaixo de uma certa temperatura crítica. Essa transição de fase ocorre, por exemplo, quando a água congela. No entanto, em certos metais existem transições de fase que não existem no macrocosmo. Eles surgem por causa das leis especiais da mecânica quântica que se aplicam ao reino dos menores blocos de construção da natureza. Pensa-se que o conceito de elétrons como portadores de carga elétrica quantizada não se aplica mais perto dessas transições de fase exóticas. Pesquisadores da Universidade de Bonn e da ETH Zurich agora encontraram uma maneira de provar isso diretamente. Suas descobertas permitem novos insights sobre o mundo exótico da física quântica. A publicação já foi lançada na revista Física da Natureza.
Se você resfria a água abaixo de zero graus Celsius, ela se solidifica em gelo. No processo, ele muda abruptamente suas propriedades. Como gelo, por exemplo, ele tem uma densidade muito menor do que no estado líquido – e é por isso que os icebergs flutuam. Na física, isso é chamado de transição de fase.
Mas também existem transições de fase nas quais as características de uma substância mudam gradualmente. Se, por exemplo, um ímã de ferro for aquecido a 760 graus Celsius, ele perde sua atração por outros pedaços de metal – então não é mais ferromagnético, mas paramagnético. No entanto, isso não acontece abruptamente, mas continuamente: os átomos de ferro se comportam como minúsculos ímãs. Em baixas temperaturas, eles são orientados paralelamente um ao outro. Quando aquecidos, eles flutuam cada vez mais em torno dessa posição de repouso até ficarem completamente alinhados aleatoriamente e o material perder completamente seu magnetismo. Portanto, enquanto o metal está sendo aquecido, ele pode ser tanto ferromagnético quanto paramagnético.
Partículas de matéria não podem ser destruídas
A transição de fase, portanto, ocorre gradualmente, por assim dizer, até que finalmente todo o ferro seja paramagnético. Ao longo do caminho, a transição desacelera cada vez mais. Este comportamento é característico de todas as transições de fase contínuas. “Chamamos isso de ‘desaceleração crítica’”, explica o Prof. Dr. Hans Kroha, do Centro Bethe de Física Teórica da Universidade de Bonn. “A razão é que, com transições contínuas, as duas fases ficam cada vez mais próximas energeticamente.” É semelhante a colocar uma bola em uma rampa: ela rola ladeira abaixo, mas quanto menor a diferença de altitude, mais lentamente ela rola. Quando o ferro é aquecido, a diferença de energia entre as fases diminui cada vez mais, em parte porque a magnetização desaparece progressivamente durante a transição.
Essa “desaceleração” é típica para transições de fase baseadas na excitação de bósons. Os bósons são partículas que “geram” interações (nas quais, por exemplo, se baseia o magnetismo). A matéria, por outro lado, não é feita de bósons, mas de férmions. Os elétrons, por exemplo, pertencem aos férmions.
As transições de fase são baseadas no fato de que as partículas (ou também os fenômenos desencadeados por elas) desaparecem. Isso significa que o magnetismo no ferro se torna cada vez menor à medida que menos átomos são alinhados em paralelo. “Os férmions, no entanto, não podem ser destruídos devido às leis fundamentais da natureza e, portanto, não podem desaparecer”, explica Kroha. “É por isso que normalmente eles nunca estão envolvidos em transições de fase.”
Os elétrons se transformam em quase-partículas
Os elétrons podem estar ligados em átomos; eles então têm um lugar fixo do qual não podem sair. Alguns elétrons em metais, por outro lado, são livremente móveis – e é por isso que esses metais também podem conduzir eletricidade. Em certos materiais quânticos exóticos, ambas as variedades de elétrons podem formar um estado de superposição. Isso produz o que é conhecido como quasipartículas. Eles são, de certo modo, imóveis e móveis ao mesmo tempo – uma característica que só é possível no mundo quântico. Essas quasipartículas – ao contrário dos elétrons “normais” – podem ser destruídas durante uma transição de fase. Isso significa que as propriedades de uma transição de fase contínua também podem ser observadas lá, em particular, desaceleração crítica.
Até agora, esse efeito pode ser observado apenas indiretamente em experimentos. Pesquisadores liderados pelo físico teórico Hans Kroha e pelo grupo experimental de Manfred Fiebig na ETH Zurich desenvolveram agora um novo método, que permite a identificação direta do colapso de quasipartículas em uma transição de fase, em particular a desaceleração crítica associada.
“Isso nos permitiu mostrar pela primeira vez diretamente que tal desaceleração também pode ocorrer em férmions”, diz Kroha, que também é membro da Área de Pesquisa Transdisciplinar “Matéria” da Universidade de Bonn e do Cluster de Excelência ” Matter and Light for Quantum Computing” da German Research Foundation. O resultado contribui para uma melhor compreensão das transições de fase no mundo quântico. A longo prazo, as descobertas também podem ser úteis para aplicações em tecnologia de informação quântica.
Instituições participantes e financiamento: O estudo foi realizado em colaboração com a ETH Zurich e a Universidade de Bonn. O trabalho foi financiado pela Swiss National Science Foundation (SNF) e pela German Research Foundation (DFG).
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