Como magnetizar um material sem precisar de um campo magnético

Com informações da Agência Fapesp - 28/06/2021

A aplicação de uma força rápida o suficiente magnetiza o sal sem precisar de um campo magnético externo.
[Imagem: Lucas Squillante et al. - 10.1038/s41598-021-88778-4]

Magnetização sem magnetismo

Pesquisadores brasileiros idealizaram uma técnica para tornar um material magnético sem a necessidade de aplicar-lhe um campo magnético externo.

Lucas Squillante e seus colegas da Unesp (Universidade Estadual Paulista) descobriram que o magnetismo pode emergir em um sal mexendo apenas nos parâmetros de pressão e temperatura.

"Dito de forma muito resumida, a magnetização ocorre ao se comprimir um sal de maneira adiabática, isto é, sem troca de calor com o meio externo. A compressão faz com que a temperatura do sal aumente e, ao mesmo tempo, promove um rearranjo nos spins das partículas constituintes do sal. Tudo isso para que a entropia total do sistema seja mantida constante. O resultado é que o sistema fica magnetizado ao fim do processo," explicou o professor Mariano de Souza, orientador do trabalho.

Spin

O spin é a propriedade que faz com que as partículas elementares (quarks, elétrons, fótons etc.), as partículas compostas (prótons, nêutrons, mésons etc.) e até mesmo átomos e moléculas se comportem como diminutos ímãs, posicionando-se no sentido norte ou sul - no caso do spin, esse posicionamento é tipicamente conhecido pelos termos 'para cima' e 'para baixo'.

"Materiais paramagnéticos [materiais que sofrem a influência de um campo magnético], como o alumínio, que é um metal, são magnetizados apenas sob a aplicação de campo magnético externo. Já materiais ferromagnéticos, como o próprio ferro, podem apresentar magnetização finita mesmo na ausência de campo magnético aplicado, pelo fato de possuírem domínios magnéticos," explicou Mariano.

Para que a proposta seja realizada experimentalmente, a equipe recomenda que a amostra seja comprimida dentro de uma bobina, por sua vez dentro de uma câmara adiabática, e a temperatura seja diminuída até 2 mK.
[Imagem: Lucas Squillante et al. - 10.1038/s41598-021-88778-4]

Entropia

Já a entropia é uma grandeza termodinâmica que mede o grau de liberdade molecular de um material, o que envolve diferentes configurações (ou microestados), ou seja, de quantas maneiras as partículas (átomos, íons ou moléculas) podem se distribuir em níveis energéticos identificáveis.

Embora tipicamente associada à "desordem de um sistema", a entropia pode funcionar como uma força organizadora.

"No caso de um material paramagnético, a entropia incorpora uma distribuição de probabilidades que descreve o número de spins 'para cima' ou 'para baixo' das partículas constituintes," exemplificou Mariano.

Representação esquemática do processo de magnetização adiabática em um sal paramagnético empregando o próprio sensor magnético para a aplicação da tensão uniaxial.
[Imagem: Lucas Squillante et al. - 10.1038/s41598-021-88778-4]

Magnetização por pressão

A ideia consiste em submeter um sal paramagnético a uma compressão em uma única direção (um único eixo) e um único sentido sentido (direita para a esquerda, por exemplo).

"Ao se aplicar estresse uniaxial, o volume do sal diminui. Como o processo é conduzido sem que haja troca de calor com o meio, a compressão produz um aumento adiabático da temperatura do material. Aumento de temperatura significa aumento de entropia. Para que a entropia total do sistema se mantenha constante, é preciso que exista um componente de diminuição local de entropia que compense o aumento da temperatura. Com isso, os spins tendem a se alinhar, levando à magnetização do sistema," detalhou Mariano.

Desse modo, a entropia total do sistema mantém-se constante e a compressão adiabática resulta em magnetização. "Experimentalmente, o caráter adiabático é atingido ao se comprimir a amostra em um intervalo de tempo menor do que o de sua relaxação térmica - ou seja, a típica escala de tempo que o sistema leva para trocar calor com seu entorno," alertou Mariano.

Os pesquisadores propõem que o aumento adiabático de temperatura pode também ser utilizado para investigar outros sistemas interagentes, tais como condensados de Bose-Einstein em isolantes magnéticos e sistemas dipolares do tipo "gelo de spin".

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