O Grupo de Propriedades Ópticas e Magnéticas de Sólidos (GPOMS) faz pesquisas experimentais sobre substâncias sólidas com propriedades singulares, como supercondutores, nanoestruturas (objetos com “detalhes” de poucos átomos de tamanho), materiais com propriedades magnéticas notáveis e substâncias que apresentam as chamadas “transições de fase quânticas”. Parte dos estudos é feita em vários equipamentos de última geração localizados no próprio grupo, enquanto parte é feita em laboratórios abertos de grande porte no Brasil e no exterior como o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS), NIST Center for Neutron Research (NCNR), National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) e Argonne National Laboratory (ANL).

O grupo mantém uma filosofia constante na busca de novos materiais com propriedades extraordinárias. Atualmente, o GPOMS é praticamente independente na produção dos materiais utilizados em grande parte de sua pesquisa e tem capacidade de realizar uma gama variada de experimentos para o melhor entendimento das propriedades físicas destes materiais. Com esta motivação, o GPOMS está sempre procurando projetar novos materiais, avançar na atualização tecnológica dos já existentes e/ou aprimorar o conhecimento científico acerca de suas propriedades. Alguns fenômenos físicos, como a supercondutividade a altas temperaturas críticas e sua relação com magnetismo, não são totalmente entendidos até hoje. As contribuições do grupo visam aprimorar a compreensão fundamental destes fenômenos, tanto através de experimentos inéditos quanto através de investigações teóricas.

As técnicas experimentais usadas na investigação dos materiais são, principalmente, Ressonância Paramagnética Eletrônica, Espectroscopia Raman, Magnetometria, Resistividade elétrica, Calor Específico, Difração e Absorção de raios-X, Espalhamento de nêutrons, e em breve Ressonância Magnética Nuclear e Ressonância Quadrupolar Nuclear.

Materiais e fenômenos estudados pelo grupo

1. Férmions pesados supercondutores

Fala-se muito sobre supercondutores e seu potencial de revolucionar a tecnologia, pois sua principal característica é não desperdiçar nenhuma energia quando conduzem eletricidade – ao contrário dos condutores comuns, nos quais parte da energia elétrica é perdida na forma de calor. No entanto, devido a algumas complicações práticas, eles ainda não invadiram o mercado como se esperaria dado seu grande potencial tecnológico. A razão é que há um nó górdio nas pesquisas sobre eles: ou se tornam supercondutores a temperaturas tão baixas que os tornam proibitivamente caros, ou são cerâmicos, quebradiços, com correntes críticas muito baixas, o que limita a sua ampla utilização no nosso dia-a-dia. O problema atual, então, se resume em como fazer supercondutores maleáveis (metálicos) e ao mesmo tempo que adquiram a supercondutividade em temperaturas suficientemente altas para serem aproveitáveis comercialmente.

Vários cientistas do mundo acreditam que a solução pode estar em certas substâncias que são metálicas mas, apesar de se tornarem supercondutoras somente abaixo de –233 graus Celsius (portanto, continuam caros), possuem várias propriedades em comum com os de alta temperatura crítica (temperatura na qual o material começa a apresentar supercondutividade). Se for compreendida a razão pela qual elas possuem essas propriedades, talvez seja possível descobrir como se fazer um supercondutor metálico em temperaturas compatíveis com a viabilidade comercial.

Essa é uma das linhas de pesquisa mais marcante do GPOMS atualmente.

Por exemplo, há os chamados supercondutores do tipo férmions pesados. Nesses materiais, os elétrons que conduzem a eletricidade fazem-no em grupos, que se comportam como espécies de “quase-partículas” de massas centenas de vezes maior que a de cada elétron. Por isso, esses materiais são chamados de “férmions pesados” (férmion é uma classe de partículas elementares à qual pertencem os elétrons).

2. Magnetismo em óxidos e metais de transição

Atualmente, vem-se estudando bastante certos cristais cerâmicos como as perovskitas duplas (figura abaixo) por causa das propriedades singulares que apresentam, como a magnetorresistência colossal e propriedades relacionadas com corrente elétrica e magnetismo que parecem desafiar previsões teóricas.

A magnetorresistência é a variação da resistência elétrica de um material quando sobre ele é aplicado um campo magnético. Ou seja, quando colocado dentro de um campo, ele pode conduzir eletricidade mais facilmente. Esse efeito é bem conhecido e explicado. Ora, em geral, essa variação é de menos de 5%. Porém, em 1993, foram descobertos materiais cuja resistência elétrica diminui para um centésimo, um milésimo ou menos.

As perovskitas também possuem propriedades especiais relacionadas ao ferromagnetismo (propriedade característica de um ímã) e à ferroeletricidade (análoga ao ferromagnetismo, só que, agora, o material produz espontaneamente um campo elétrico). Podem também apresentar fenômenos relacionados como o antiferromagnetismo – em que as pequenas unidades magnéticas que se alinham o fazem em direções alternadas, acoplado com a ferroeletricidade. Essas propriedades elétricas, magnéticas e possível acoplamento entre elas, possuem grande potencial para serem aplicados nas próximas gerações de dispositivos eletrônicos.

Esquema da estrutura cristalina da perovskita dupla Sr₂CoUO₆.Esse esquema se repete por todo o volume do material. É formado por átomos de estrôncio (Sr), cobalto (Co), urânio (U) e oxigênio (O). Os octaedros verdes possuem um átomo de cobalto no centro e os azuis, um de urânio. Esses octaedros indicam uma "subestrutura" formada pelos átomos de oxigênio (nos seus vértices). As duas cores indicam que há dois tipos de octaedros (uma com um cobalto no centro e outra com urânio). Por isso, trata-se de uma perovskita dupla.
Fonte: Tese de doutorado de Alí Francisco García Flores, IFGW/Unicamp (2007), pág. 58

3. Nanomateriais magnéticos

“Nanomateriais”, a nova grande promessa da tecnologia moderna, são objetos com estruturas (“detalhes”) minúsculos, do tamanho de algumas dezenas de átomos. O interessante disso é que, quando um objeto possui esse tamanho, começa a apresentar propriedades diferentes dos de tamanho normal com mesma composição. O motivo é que a superfície de um material comum possui propriedades diferentes das do seu interior. Por exemplo, a superfície da água possui uma tensão superficial capaz de manter, sem afundar, um mosquito ou mesmo um clips colocado com cuidado. Mas, quando a quantidade de material é muito pequena, as propriedades da superfície interferem com as do seu interior e o resultado é algo com características bem diferentes. Um vasto ramo da física atual dedica-se a investigar quais novas propriedades podem ter os materiais nanométricos e o que se pode fazer com elas.

No caso do GPOMS, a investigação em nanomateriais é feita principalmente com Ressonância Magnética. A idéia é investigar como as nanoestruturas se comportam em condições extremas: extremamente frio (abaixo de 50 milésimos de graus acima do zero absoluto – o “zero absoluto” é a menor temperatura possível, de –273,15 graus); campos magnéticos muito intensos (14 teslas, ou cerca de 1500 vezes o campo de um ímã comum); pressões muito grandes (30 kbar, ou o equivalente a cerca de 30 mil quilos repousados sobre uma superfície de um centímetro quadrado).

4. Sistemas com alta correlação eletrônica

Uma outra investigação do grupo, agora num nível mais fundamental, é sobre as transições de fase quânticas. Transições de fase bem conhecidas são a liquefação, a solidificação, a ebulição, a fusão etc. Estas ocorrem com a variação da temperatura. Há, porém, transições que aparecem com variações de outros parâmetros, como a pressão, campo magnético, ou mesmo sutis alterações da composição química da substância (a chamada “dopagem”). Algumas dessas são classificadas como “transições de fase quânticas” e acontecem próximas do zero absoluto de temperatura, numa situação em que os elétrons podem passar a exibir comportamentos acoplados – por isso, a situação é chamada de “alta correlação eletrônica”. São fenômenos muito estudados, pois esses comportamentos coletivos costumam exibir características "emergentes" incomuns e se relacionam com aspectos fundamentais da física quântica e da sua interface com a física clássica.

O grupo projeta materiais que apresentam transições de fase quântica e os caracteriza, procurando compreender melhor esse fenômeno e aperfeiçoar técnicas para obter novas substâncias com essas propriedades.

Há uma conexão entre esta linha de pesquisa e a supercondutividade. Vários cientistas acreditam que o estudo da relação entre o magnetismo e as transições de fase quânticas jogará luz sobre as causas da supercondutividade em altas temperaturas críticas. Quando essas causas forem bem compreendidas, será mais fácil projetar supercondutores com temperaturas críticas cada vez mais altas.

Os métodos de pesquisa

1. Ressonância Magnética

Há dois tipos de Ressonância Magnética: a Eletrônica ou de Spin Eletrônico (RPE) e a Nuclear (RMN).

A RMN é um fenômeno físico exibido por núcleos de determinados elementos químicos que, quando submetidos a um campo magnético forte e excitados por ondas de rádio (rf) em uma frequência específica (conhecida como frequência de Larmor), absorvem energia do sistema e, em seguida, emitem um rádio sinal o qual pode ser captado por uma antena e transformado em sinal espectroscópico, ou ainda em imagem. O mesmo pode ser aplicado à RPE, porém para os elétrons dos materiais em outra faixa de frequência.

Esta técnica é muito conhecida em medicina por não ser invasiva e amplamente utilizada para produzir imagens internas do corpo humano (do inglês MRI: Magnetic Resonance Imaging) e possibilitar um diagnóstico preciso de vários tipos de doenças. Já no âmbito da temática de interesse de nosso grupo, ela é considerada uma técnica microscópica muito poderosa que fornece informações detalhadas sobre a estrutura cristalina (e molecular), sobre a dinâmica dos átomos e elétrons, os estados de reação, transições de fases, e a vizinhança química de moléculas e materiais cristalinos.

A ressonância magnética

Nessa técnica, o objeto que se quer investigar é colocado em dois campos magnéticos, sendo um deles constante e o outro oscilante. No caso da ressonância magnética nuclear, estes campos fazem com que os núcleos dos átomos se movam como piões precessionando ao redor da direção do campo externo (veja figuras abaixo). Com esse movimento, os átomos emitem ondas eletromagnéticas que carregam informações sobre o material. Os aparelhos de tomografia analisam essas ondas eletromagnéticas e, com isso, fazem imagens do corpo humano. Por isso, ela é chamada também “Imageamento por Ressonância Magnética (MRI)”.

No caso da ressonância magnética eletrônica, o princípio é o mesmo, só que, ao invés de os núcleos dos átomos girarem como piões ao redor do campo, são os elétrons que o fazem

Um pião possui dois movimentos: um rápido, ao redor de si mesmo, e o de "precessão", em que sua inclinação gira lentamente ao redor da vertical. Na figura à direita, a seta mais grossa indica a direção do campo magnético fixo; a seta mais fina, a direção ao redor da qual o elétron "gira" ao redor de si mesmo; a seta curva verde indica o movimento de precessão, tal e qual um pião.
Fonte das figuras: Wikipedia

2. Espectroscopia Raman

Neste método, direciona-se um laser sobre o objeto que se quer investigar e analisa-se a parte que é espalhada por ele. A frequência (ou seja, a cor) da luz espalhada pode ser diferente da do laser incidente, pois a luz pode transferir parte de sua energia para o material estudado, ou mesmo receber energia do mesmo. Este é o chamado “efeito Raman”. Analisando-se essas alterações na luz espalhada, pode-se inferir diversas características do material em estudo.

A espectroscopia

Objetos muito pequenos, como moléculas, átomos e partículas subatômicas, em geral não podem ter qualquer energia, mas apenas certos valores específicos. A energia é constituída de unidades, pacotes chamados quanta (plural de quantum, pela ortografia do latim). É como se fossem "átomos" de energia, com a diferença que os átomos da mesma substância são todos iguais, enquanto o tamanho dos quanta não é fixo, mas depende da situação. Assim, os materiais - qualquer material: filamento de lâmpada, o Sol etc. - podem emitir ou absorver apenas quanta inteiros de energia.

Acontece que o conjunto das energias permitidas é uma característica, uma "assinatura" de cada átomo, molécula etc. A espectroscopia é justamente uma técnica que dá acesso a essas energias. Ela determina o espectro, ou seja, o conjunto das energias específicas que o material pode emitir, absorver ou espalhar. Com isso, ela permite identificar do que são feitas as coisas - desde materiais novos e desconhecidos até objetos astronômicos, como estrelas.

Para determinar o espectro da luz emitida, absorvida ou espalhada por um material, basta separar a luz em suas cores, como acontece com a luz do Sol no arco-íris ou como podemos fazer com um prisma.
Fonte da figura: Wikipedia.

No caso da espectroscopia Raman, joga-se luz de uma certa cor (frequência) sobre o objeto. Boa parte da luz espalhada pelo material tem a mesma cor da luz incidente: é o chamado espalhamento Rayleigh. Entretanto, uma pequena fração é espalhada com uma cor diferente, e a diferença de frequência da luz incidente e espalhada é proporcional à perda ou ganho de energia devido às interações que ocorreram da luz com o material. Este é o espalhamento Raman. Agora, é o conjunto das variações nas frequências da luz espalhada (o espectro) que forma a "assinatura" do material estudado, com a qual se pode identificá-lo; e também permite medir diversas características microscópicas suas, como a força das ligações químicas entre seus átomos e moléculas, excitações eletrônicas, magnéticas, entre outras.

Aspecto dos gráficos que se obtém com espectroscpia Raman para quatro substâncias diferentes. Os "picos" das curvas indicam as energias de absorção; eles são diferentes para cada substância e constituem uma "assinatura" da mesma. Para cada uma das três primeiras figuras, há três curvas, para três temperaturas cada (300 K, ou 27 graus Celsius; 100 K = -173 oC; e 18 K = -255oC). No gráfico (d), cada uma das 5 curvas foi feita olhando-se para a amostra por uma direção diferente.
Fonte: Tese de doutorado de Alí Francisco García Flores, IFGW/Unicamp (2007), pág. 14.

3. Raios-X

Sobre eles, todos também estão familiarizados com as imagens que os médicos costumam requisitar. No entanto, o GPOMS usa esses raios de outras maneiras, bem diferentes.

Uma delas é a difração de raios-X. Ela é mais comumente utilizada para estudar materiais cristalinos, isto é, materiais em que os átomos estão dispostos segundo certa ordem que se repete por ele inteiro (quando não se repete, o material é chamado "amorfo"). Quando os raios-X atravessam um material cristalino, eles são desviados pelos átomos (tecnicamente, "difratados" pelo material) em algumas direções e com intensidades específicas. Isso forma padrões regulares (por causa da regularidade dos átomos) chamados padrões de difração. Analisando esses padrões, é possível descobrir quais as posições relativas dos átomos no material.

Os raios-X são principalmente desviados pelas cargas elétricas dos elétrons dentro dos átomos em si, sendo também sensíveis a seus momentos magnéticos (os elétrons comportam-se como pequenos ímãs - quando, aliás, muitos deles se alinham na mesma direção, seus minúsculos campos magnéticos se somam e formam o magnetismo dos ímãs comuns). É possível, também, analisar padrões de difração gerados pelo magnetismo dos elétrons, obtendo informação sobre a estrutura magnética do material de interesse.

Além da difração, os raios-X também podem ser usados de outras maneiras: por exemplo, aproveitando-se a sua absorção pelo material de interesse. Isso fornece informações complementares às da difração sobre o arranjo dos átomos, a natureza dos campos magnéticos internos, a ocupação dos elétrons em cada átomo (ionicidade), entre outras. É a chamada Espectroscopia de Absorção de raios-X (XAS), que engloba um conjunto de técnicas, como: EXAFS (sigla em inglês para "Estrutura Fina da Absorção de Raios-X Extendida"), XANES ("Estrutura Próxima à Borda da Absorção de Raios-X") e XMCD ("Dicroísmo Circular Magnético de Raios-X"). Estas técnicas diferenciam-se uma da outra em certos detalhes técnicos sobre como a absorção dos raios-X é medida e analisada. Escolhendo-se apropriadamente a frequência dos raios-X, pode-se obter informações específicas de cada elemento químico que compõe o material separadamente. Além disso, o material não precisa ser ordenado (cristalino) para ser estudado pelas técnicas de XAS, ao contrário da difração de raios-X – de fato, estas são técnicas complementares.

Como são produzidos esses raios-X que servem como "sondas" da estrutura íntima dos materiais? O grupo usa o Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS). Ali, há um acelerador de elétrons que os faz viajarem em velocidades muito próximas à da luz, girando em "círculos" (na verdade, em um polígono de 12 lados). Quando são forçados a fazerem as curvas por meio de campos magnéticos, os elétrons emitem ondas eletromagnéticas em muitas frequências ("cores"), incluindo raios infravermelhos, ultravioletas, raios-X e luz visível. Esta radiação chama-se "radiação síncrotron" e é muito útil para uma grande quantidade de aplicações. No LNLS, há diversos laboratórios ao redor do acelerador chamados de “linhas de luz”, em que cientistas de todo o Brasil e do exterior trabalhando em diversas áreas, como física, química, biologia e engenharia dos materiais, usam essa radiação para coletar dados que serão analisados nas suas instituições de pesquisa. Para mais informações sobre o LNLS, clique aqui.

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron

O LNLS é o primeiro do tipo no Hemisfério Sul. O aparelho principal é um acelerador de partículas em forma de um anel, com 93 metros de comprimento, onde elétrons viajam a 99,98% da velocidade da luz. Ao fazerem as curvas para manter a trajetória ao longo do anel, esses elétrons emitem radiação eletromagnética no infravermelho, ultravioleta, raios-X e luz visível - trata-se da chamada "radiação síncrotron". Acontece que essa radiação é muito útil para diversas pesquisas sobre a estrutura atômica e molecular de materiais: para estudar a estrutura de proteínas, a composição de nanomateriais e de materiais novos descobertos recentemente, microcomponentes para computadores, fibras ópticas, etc.

Os equipamentos para se transformar a luz síncrotron "bruta" em radiação própria para pesquisas chamam-se "linhas de luz". Em outubro de 2012, estavam instaladas e funcionando 15 delas no LNLS.

Instituições de pesquisa de todo o Brasil, América Latina, e de outros países como África do Sul, Noruega e Canadá usam as instalações.

Anel principal do LNLS. O anel de armazenamento está logo abaixo da proteção branca de concreto; destaca-se também a proteção do anel menor (booster) usado na injeção dos elétrons duas vezes por dia. Pode-se distinguir algumas linhas de luz, como a que sai do anel principal em direção ao canto inferior direito da foto.
Fonte: site do LNLS

História do Grupo

Quando Sérgio Porto fundou o Departamento de Eletrônica Quântica (DEQ) do IFGW, no início dos anos 1970, convidou vários cientistas que estavam no exterior para formar os grupos de pesquisa. Um deles foi Carlos Rettori, vindo da Universidade da California em Los Angeles (UCLA), e Garton Barberis, vindo da Universidade de Buenos Aires, que fundaram o Grupo de Propriedades Magnéticas dos Materiais. Na época, concentrava-se em estudos com a ressonância magnética. No fim da década, o grupo dividiu-se, com o aparecimento de uma nova equipe liderada por Elion Vargas, que passou a usar a ressonância magnética com enfoque no estudo de materiais biológicos. Em seguida, juntou-se ao grupo o Prof. Gaston Barberis, vindo de um pós-doutorado na Universidade Hebraica de Jerusalém

Em meados dos anos 1990, o grupo do Rettori e Gaston fundiu-se ao grupo do José António Sanjurjo (1944-2001), que usava a técnica da espectroscopia Raman e descendia diretamente da equipe do próprio Sérgio Porto. Ou seja, aumentou a amplitude dos estudos do grupo então constituído por Rettori, Barberis e Sanjurjo: da investigação de propriedades magnéticas (com ressonância magnética e magnetometria), passou a incluir também propriedades ópticas (pois a espectroscopia Raman é feita com laser, um tipo de luz).

Nessa época, havia, porém, grande carência do grupo na produção das amostras utilizadas em suas pesquisas, as quais em geral obtidas em forma de colaboração científica com pesquisadores no exterior. Isso dificultava as investigações, pois as possibilidades de fornecimento eram limitadas.

A partir do início dos anos 1990, o grupo passou a investir na produção dos materiais e superou essa dificuldade. Atualmente, o corpo permanente de docentes do GPOMS é formado por Pascoal Pagliuso, Eduardo Granado e Ricardo Urbano. Rettori e Barberis ainda fazem parte do grupo como pesquisadores convidados.