Imagem esquemática do ferromagnetismo induzido por atividade em matéria ativa quântica. Aqui, átomos em movimento com spins exibem a ordem ferromagnética (ou seja, alinhamento em uma direção) como um bando de pássaros mostrado acima. Crédito:Takasan et al 2024 Os investigadores Kazuaki Takasan e Kyogo Kawaguchi da Universidade de Tóquio com Kyosuke Adachi da RIKEN, Japão, demonstraram que o ferromagnetismo, um estado ordenado dos átomos, pode ser induzido pelo aumento da motilidade das partículas e que as forças repulsivas entre os átomos são suficientes para mantê-lo.
A descoberta não só estende o conceito de matéria ativa aos sistemas quânticos, mas também contribui para o desenvolvimento de novas tecnologias que dependem das propriedades magnéticas das partículas, como a memória magnética e a computação quântica. As descobertas foram publicadas na revista Physical Review Research .
Aves em bandos, enxames de bactérias, fluxos celulares. Todos esses são exemplos de matéria ativa, um estado no qual agentes individuais, como pássaros, bactérias ou células, se auto-organizam. Os agentes mudam de um estado desordenado para um estado ordenado, no que é chamado de “transição de fase”. Como resultado, eles se movem juntos de forma organizada, sem um controlador externo.
“Estudos anteriores mostraram que o conceito de matéria ativa pode ser aplicado a uma ampla gama de escalas, desde nanômetros (biomoléculas) até metros (animais)”, diz Takasan, o primeiro autor. "No entanto, não se sabe se a física da matéria ativa pode ser aplicada de forma útil no regime quântico. Queríamos preencher essa lacuna."
Para preencher a lacuna, os investigadores precisavam demonstrar um possível mecanismo que pudesse induzir e manter um estado ordenado num sistema quântico. Foi um trabalho colaborativo entre física e biofísica. Os pesquisadores se inspiraram nos fenômenos dos bandos de pássaros porque, devido à atividade de cada agente, o estado ordenado é alcançado com mais facilidade do que em outros tipos de matéria ativa.
Eles criaram um modelo teórico no qual os átomos imitavam essencialmente o comportamento dos pássaros. Neste modelo, quando aumentaram a motilidade dos átomos, as forças repulsivas entre os átomos os reorganizaram em um estado ordenado denominado ferromagnetismo. No estado ferromagnético, os spins, o momento angular das partículas subatômicas e dos núcleos, alinham-se em uma direção, assim como os pássaros em bandos enfrentam a mesma direção enquanto voam.
“A princípio foi surpreendente descobrir que a ordem pode aparecer sem interações elaboradas entre os agentes no modelo quântico”, reflete Takasan sobre a descoberta. “Foi diferente do que era esperado com base em modelos biofísicos”.
O pesquisador adotou uma abordagem multifacetada para garantir que sua descoberta não fosse um acaso. Felizmente, os resultados das simulações computacionais, da teoria do campo médio, da teoria estatística das partículas e das provas matemáticas baseadas na álgebra linear foram todos consistentes. Isto reforçou a fiabilidade da sua descoberta, o primeiro passo numa nova linha de investigação.
“A extensão da matéria ativa ao mundo quântico só começou recentemente e muitos aspectos ainda estão em aberto”, diz Takasan. "Gostaríamos de desenvolver ainda mais a teoria da matéria quântica ativa e revelar suas propriedades universais."
