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A magnetização de um material sem a aplicação de campo magnético externo foi proposta por um grupo de pesquisadores da Universidade Estadual Paulista (Unesp). Em artigo publicado no periódico Scientific Reports, o grupo indicou também o caminho experimental para alcançar esse objetivo.
O estudo faz parte da pesquisa de
doutorado de Lucas Squillante, orientando do professor Mariano de Souza no
Departamento de Física da Unesp, em Rio Claro (IGCE-Unesp). E, além de
Squillante e Souza, contou com a participação da doutoranda Isys Mello,
orientanda de Souza e do professor Antonio Seridonio,
do Departamento de Física e Química da Unesp no campus de Ilha Solteira. O
grupo contou com apoio da
FAPESP.
“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”, conta Souza à Agência FAPESP.
Para se
entender o fenômeno, é preciso discorrer um pouco mais sobre dois conceitos
apresentados na afirmação anterior: spin e entropia.
O spin é uma propriedade quântica que
faz com que as chamadas 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 quando submetidos a um campo magnético. Esse posicionamento é caracterizado
pelos termos up (para cima) e down (para baixo).
“Materiais
paramagnéticos, 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”, explica Souza.
Quanto à entropia, ela é,
basicamente, uma medida de configurações ou estados acessíveis do sistema.
Quanto maior o número de estados acessíveis, maior a entropia. Por meio de uma
abordagem estatística, o grande físico austríaco Ludwig Boltzmann (1844-1906)
associou a entropia de um sistema, que é uma grandeza macroscópica, ao número
de configurações microscópicas possíveis das partículas que o constituem. “No
caso de um material paramagnético, a entropia incorpora uma distribuição de probabilidades
que descreve o número de spins para cima [up] ou para baixo [down] das partículas constituintes”, pontua Souza.
No estudo
agora apresentado por seu grupo, um sal paramagnético é comprimido em uma única
direção e sentido. “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”, explica Souza.
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”, detalha Souza.
Além
disso, os pesquisadores propõem que o aumento adiabático de temperatura possa
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”.
O artigo Elastocaloric-effect-induced adiabatic magnetization in
paramagnetic salts due to the mutual interactions pode ser
acessado em www.nature.com/articles/s41598-021-88778-4.
Agência FAPESP
https://agencia.fapesp.br/pesquisadores-propoem-metodo-para-magnetizar-um-material-sem-aplicar-campo-magnetico-externo/36204/
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