Pesquisadores propõem método para magnetizar um material sem aplicar campo magnético externo

Grupo da Unesp mostrou ser possível induzir o fenômeno por meio de compressão adiabática, ou seja, sem troca de calor com meio. Tal processo faz com que os spins das partículas constituintes do material se alinhem, magnetizando o sistema

José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – 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.