Cientistas descobrem novo estado da matéria

Por , em 3.04.2018

Físicos da Universidade de Illinois e do Laboratório Nacional de Los Alamos, nos EUA, identificaram um novo estado da matéria cuja ordem estrutural opera por regras mais alinhadas com a mecânica quântica do que com a teoria termodinâmica padrão.

Se trata do material clássico artificial chamado “spin ice”. Em certas fases, ele parece desordenado, mas está realmente ordenado, só que de forma “topológica”.

Implicações

A topologia é o ramo da matemática que descreve as propriedades que não mudam quando uma forma é alterada de modo gradual.

Os cientistas geralmente classificam as fases da matéria como “ordenadas”, como o cristal, e “desordenadas”, como os gases.

“Nossa pesquisa mostra pela primeira vez que sistemas clássicos como o spin ice artificial podem ser projetados para demonstrar fases ordenadas topologicamente, que anteriormente só foram encontradas em condições quânticas”, disse o físico Cristiano Nisoli, do Laboratório Nacional de Los Alamos.

“A demonstração de que esses efeitos topológicos podem ser projetados em um sistema artificial de spin ice abre as portas para uma ampla gama de possíveis novos estudos”, disse Peter Schiffer, principal autor do estudo, que na época estava na Universidade de Illinois em Urbana-Champaign, e agora está na Universidade Yale.

O experimento

Na nova pesquisa, a equipe explorou uma geometria específica do spin ice artificial, chamada “Shakti spin ice”.

Usando microscopia eletrônica fotoenergética, a equipe de Schiffer revelou algo intrigante: ao contrário de outros spin ice artificiais, que poderiam atingir seu estado de baixa energia à medida que a temperatura era reduzida em quedas sucessivas, o Shakti teimosamente permaneceu no mesmo nível de energia.

“O sistema fica preso de uma maneira que não pode se reorganizar, mesmo que um rearranjo em grande escala permita que ele caia para um estado de energia mais baixo”, disse Schiffer.

Claramente, algo estava sendo conservado, mas nada aparecia como um candidato óbvio em um material artificialmente concebido para fornecer uma imagem desordenada de spin.

A teoria de um novo estado da matéria

Ao invés de um estudo comum que vai da teoria à prática, para entender o que estava acontecendo, os pesquisadores passaram dos experimentos para a teoria.

Nisoli descreveu um estado de baixa energia que poderia ser mapeado em um célebre modelo teórico, o “modelo de cobertura de dímero”, cujas propriedades topológicas já foram reconhecidas.

Em seguida, os dados do experimento confirmaram a conservação da carga topológica. “Acho isso muito intrigante, porque geralmente os referenciais teóricos passam da física clássica para a física quântica. Não é assim com a ordem topológica”, afirmou.

Um artigo sobre o estudo foi publicado na revista Nature Physics. [Phys]

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