Um grupo de pesquisa conjunto da Universidade de Osaka e da Universidade de Tóquio descobriu o mecanismo de transição vítrea que os elétrons podem experimentar nos cristais de óxido de pirocloro. Os pesquisadores mostram que as distorções na rede atômica fazem com que dois tipos de graus de liberdade de rotação dos spins se tornem acoplados e formem um estado vítreo exatamente na mesma temperatura. Este trabalho vai lançar luz sobre a nossa compreensão do mecanismo de transições de vidro, que é um dos problemas não resolvidos mais fundamentais da física.

Óxidos de pirocloro são minerais que têm a fórmula química A ₂ B ₂ O ₇ , onde A é geralmente um íon de terra rara e B é um metal de transição - neste caso, molibdênio. Os íons metálicos no cristal formam tetraedros que compartilham os cantos. Os elétrons nos íons estão essencialmente ligados ao núcleo, mas ainda podem orbitar ao redor do núcleo e girar em torno de si mesmos. Num sentido, isso é semelhante aos movimentos dos planetas no sistema solar:os planetas orbitam ao redor do sol enquanto também giram em torno de si mesmos.

Os cientistas descobriram que as órbitas e os spins dos elétrons em diferentes cantos dos tetraedros estão interagindo entre si de uma forma complexa. Alguns pares de giros desejam alinhar seus eixos de giro em paralelo, mas outros desejam alinhar antiparalelo. Infelizmente, não há maneira possível de atender a todos esses simultaneamente, então os cientistas dizem que os giros são "frustrados". O resultado são muitas configurações equivalentes e os giros acabam travando apontando em direções diferentes mesmo em baixas temperaturas. Isso é conhecido como vidro giratório, uma vez que tem uma dinâmica muito semelhante ao resfriamento do vidro fundido ao estado sólido. Isso é, o vidro a que estamos acostumados em nossas janelas e xícaras está em um estado intermediário entre sólido e líquido. As moléculas são fixadas no lugar, como um sólido, uma vez que não têm energia suficiente para se mover, mas são organizados sem ordem de longo alcance, algo como um "líquido congelado".

"Embora alguns sistemas sejam conhecidos por mostrarem tais comportamentos devido à aleatoriedade extrínseca, chamado de 'desordem extinta, "mostramos que isso não é necessário para compreender a vitrificação do sistema pirocloro, "diz o primeiro autor Kota Mitsumoto.

Embora a natureza muitas vezes pareça favorecer formas simétricas, há casos em que os cristais tetraédricos são mais estáveis ​​quando um lado é alongado e outro comprimido, em um processo denominado distorção Jahn-Teller. Os pesquisadores descobriram que essa mudança acoplou os graus de liberdade de spin e orbitais, o que os fez sofrer transições de vidro na mesma temperatura crítica. "Ficamos felizes em poder ajudar a resolver um quebra-cabeça de longa data sobre a origem do vidro giratório sem desordem, "acrescenta o autor sênior Hajime Yoshino.

A equipe usou simulações de computador junto com cálculos teóricos para mostrar que, nesta temperatura crítica, a resposta não linear aos campos magnéticos externos torna-se muito grande, como esperado para uma transição de vidro.

"Nós demonstramos, pela primeira vez, como uma transição de vidro termodinâmica pode ocorrer em uma rede periódica sem aleatoriedade extinta, "diz Mitsumoto." Esperamos que nossas descobertas possam melhorar a compreensão da transição vítrea em geral. "