O Grupo de Metais e Ligas (GML) investiga propriedades peculiares de certas ligas metálicas, notadamente as que apresentam efeito magnetocalórico e aquelas que formam, em suas partículas, sistemas fortemente correlacionados, responsáveis por diversas propriedades não-usuais desses materiais.

São, portanto, basicamente duas linhas de pesquisas: o efeito magnetocalórico e os sistemas fortemente correlacionados. A atuação nos dois campos é facilitada pelo fato de a preparação das amostras, feitas pelo próprio grupo, ser feito pelos mesmos métodos nas duas linhas.

Os materiais magnetocalóricos

O primeiro tema, o efeito magnetocalórico, refere-se ao fenômeno pelo qual certos materiais se aquecem quando é aplicado sobre eles um campo magnético – e se resfriam quando ele é retirado. Na verdade, praticamente todas as substâncias apresentam esse efeito, mas em geral de forma muito pouco pronunciada. No entanto, em certos compostos intermetálicos e sob certas condições, ele pode aparecer de forma intensa o suficiente para possibilitar aplicações tecnológicas. O principal uso potencial é a refrigeração magnética – que poderá substituir a refrigeração tradicional em geladeiras e ares condicionados e que também é útil para produzir temperaturas baixíssimas para pesquisas científicas em laboratório.

Uma vantagem da refrigeração magnética sobre a tradicional é que os aparelhos podem ser bem menores, pois não precisam do compressor – e também porque, ao invés de um gás, usa-se como substância refrigerante um sólido. Podem ser também mais eficientes, pois, os compressores comuns desperdiçam muita energia com o atrito dos pistões; e são menos poluentes, já que os gases usados na refrigeração normal agridem a camada de ozônio e contribuem para o efeito estufa.

Para se chegar a essas aplicações, é necessário encontrar materiais magnetocalóricos que apresentam o efeito à temperatura ambiente, de modo suficientemente forte para substituir as técnicas tradicionais de refrigeração – e usando substâncias mais baratas e menos tóxicas. Para isso, é preciso compreender a física por detrás do fenômeno. Para entendê-lo melhor e eventualmente buscar novos fenômenos ainda não explorados, o grupo investiga o efeito sob diversos aspectos (por exemplo, efeito de anisotropia ou mesmo variando a pressão – para aplicações tecnológicas, é interessante que a pressão seja o mais próxima possível da atmosférica) e usando várias técnicas experimentais. Os materiais estudados são à base de gadolínio, ou arsênico com manganês, ou ainda gálio ou alumínio.

Estrutura cristalina de dois dos materiais estudados pelo grupo, o UCoGa2 e o UNiGa2.
Fonte: Tese de doutorado de Luzeli Moreira da Silva. IFGW/Unicamp (2006), pág. 120

Os sistemas fortemente correlacionados

Nessa segunda linha de pesquisa, a expressão “sistemas fortemente correlacionados” refere-se a situações em que as partículas do material (principalmente os elétrons, mas também lacunas de elétrons) podem apresentar um comportamento coletivo envolvendo simultaneamente grande número de partículas de modo correlacionado, “orquestrado”; como resultado, o material apresenta propriedades não-usuais. Uma das mais famosas é a supercondutividade, mas as possibilidades são muito ricas e o grupo investiga diversas outras características incomuns. Por exemplo, há casos em que o calor específico (o quanto um material varia sua temperatura quando recebe ou cede uma dada quantidade de calor) possui valores muito maiores que os padrões conhecidos. A resistência elétrica também pode variar de modo surpreendente, caindo drasticamente à medida que se abaixa a temperatura. Os materiais que apresentam esse tipo de efeito são baseados essencialmente no cério, no itérbio e às vezes no samário.

Outro fenômeno bastante estudado pela equipe é o efeito Kondo, no qual a resistência elétrica de determinados materiais aumenta quando a temperatura diminui (normalmente, a resistência aumenta com o aumento da temperatura). Isso acontece em temperaturas baixas e em certos metais com impurezas de substâncias magnéticas. Exemplos estudados pelo grupo são o cério, o itérbio e o urânio; exemplos de impurezas são o lantânio e o ítrio.

O efeito Kondo se conecta com certo tipo mais específico de sistema fortemente correlacionado, que são os férmions pesados. Nos materiais ditos férmions pesados, os elétrons comportam-se, devido ao seu comportamento coletivo, como se tivessem massa centenas de vezes maior que um elétron normal.

Para se compreender a física por detrás de tais fenômenos, investiga-se como esses efeitos variam quando são alterados certos parâmetros do material, como quando se varia a pressão ou se substitui alguns de seus átomos por átomos de outros metais (substituição química). Uma vez que o efeito Kondo é derivado de uma pequena desordem no material causada pelas impurezas, a substituição química é capaz de produzir desordem de forma controlada, a fim de que se possa diagnosticar por quais mecanismos ela produz alterações no efeito Kondo e, assim, quais os mecanismos do próprio efeito.

O estudo desses diversos fenômenos é feito com uma série de técnicas experimentais, incorporadas ao know-how do grupo ao longo do tempo. São elas a calorimetria, a ressonância magnética eletrônica (EPR) e técnicas para se determinar a magnetização, a susceptibilidade magnética, a resistividade e a magnetorresistência (isto é, o quanto varia a resistência elétrica quando é aplicado um campo elétrico sobre o material).

Detalhes de um calorímetro utilizado pelo grupo.
Fonte: Dissertação de Mestrado de Luzeli Moreira da Silva. IFGW/Unicamp (2003), pág. 28

História do Grupo

O Grupo de Metais e Ligas surgiu em meados da década de 1980. A linha básica de pesquisas, na época, era sobre propriedades magnéticas – basicamente de sistemas fortemente correlacionados, incluindo o efeito Kondo. Estudava-se a física básica por detrás dos fenômenos. No começo, houve associação com as pesquisas sobre supercondutores. As atividades do grupo evoluíram com o tempo para a ressonância paramagnética eletrônica (EPR) e, a partir dela, muitas técnicas de estudo de materiais de estado sólido foram desenvolvidas – e com elas, diversas linhas de pesquisa sobre propriedades de metais e ligas, como calorimetria, resistividade elétrica, de modo articulado e complementar entre si. Desde meados da década de 2000, é estudado o efeito magnetocalórico.

Em 2004, o grupo observou, em uma liga de manganês e arsênio, uma versão do efeito magnetocalórico mais intensa do que as já observadas, chamada efeito magnetocalórico colossal (tem esse nome porque o primeiro efeito magnetocalórico, descoberto em 1881, era bem menos intenso que uma outra versão descoberta em 1997, chamada efeito magnetocalórico gigante, que, por sua vez, é menos intensa que a colossal – esta é da ordem de 60 vezes maior que a gigante). Este estudo foi realizado em conjunto com o grupo GPCM do IFGW.