A ênfase das pesquisas do Grupo de Propriedades Térmicas e Magnéticas de Sistemas Condensados (GPTMSC), de caráter teórico, é em fenômenos quânticos envolvendo magnetismo e transporte de cargas elétricas (como a supercondutividade) e na aplicação da teoria quântica de campos na física da matéria condensada.

No caso do magnetismo, são investigados os chamados sistemas de baixa dimensionalidade, ou seja, aqueles em que pelo menos uma de suas dimensões tem tamanhos nanométricos (com até algumas dezenas de átomos de espessura). Objetos com essas dimensões já começam a apresentar efeitos quânticos pronunciados e, portanto, produzem fenômenos físicos ainda desconhecidos que podem ser explorados. Se só uma das dimensões for nanométrica, temos um sistema com formato de superfície; se duas o forem, terá formato de uma linha; se as três, de um ponto.

Um exemplo de sistema bidimensional são as fronteiras entre domínios magnéticos. Em materiais ferromagnéticos, há pequenas regiões chamadas domínios nas quais os momentos magnéticos dos átomos tendem a se alinhar em uma direção. Domínios vizinhos possuem seus campos alinhados em direções diferentes; a fronteira entre eles são superfícies que possuem propriedades peculiares, que constituem um ativo campo de estudos na física atual.

Outro exemplo são as cadeias de spin. Estas são pequenos conjuntos de átomos ou moléculas dispostos em fila (portanto, sistemas unidimensionais), sendo que as propriedades de interesse relacionam-se a seus spins. Ao redor do mundo, são muito usadas nas pesquisas sobre computação quântica, pois é um dos principais meios de se implementar os qubits, os “bits quânticos”.

O grupo investiga tais efeitos do ponto de vista teórico, por meio da formulação de modelos físicos.

Um efeito quântico bastante estudado pelo grupo é a transição de fase quântica. É algo análogo às transições de fase conhecidas da física clássica – a passagem do estado sólido para o líquido, do líquido para o gasoso etc. A diferença é que, no caso clássico, o parâmetro que varia para que a transição aconteça é a temperatura, enquanto na transição quântica a temperatura é fixa e muito próxima do zero absoluto (a menor temperatura possível, de –273,15 graus Celsius) e a transição é causada pela variação de outras grandezas, como um campo magnético sobre o sistema. Além disso, nas transições clássicas, é a agitação dos átomos e moléculas causadas pela temperatura que desencadeia a transição; nas quânticas, são as flutuações quânticas intrínsecas ao sistema (relacionadas com o princípio da indeterminação de Heisenberg).

Além do magnetismo, o grupo também estuda o transporte quântico, ou seja, transporte de cargas elétricas e de spins em sistemas com dimensões suficientemente pequenas para efeitos quânticos serem pronunciados. Um efeito interessante é o tunelamento, no qual uma partícula pode atravessar uma “barreira de potencial” impossível de ser transposta no âmbito da física clássica pelo fato de a partícula simplesmente não ter energia suficiente para tanto.

Outro fenômeno interessante, que acontece no estudo de transporte em nanoestruturas híbridas que incluem supercondutores, é a reflexão de Andreev. Neste efeito, um elétron em um material normal incide sobre a junção entre ele e um material supercondutor e a atravessa. No lado do supercondutor, ao invés de aparecer esse elétron, surge um par de elétrons, formando um par de Cooper. Consequentemente, do outro lado aparece uma lacuna de elétron, que se propaga na direção contrária – como se tivesse sido refletida na superfície da junção (veja a figura abaixo; note que não é uma reflexão especular). O elétron incidente e a lacuna ficam correlacionados quanticamente (num estado emaranhado) e o emaranhamento pode sobreviver enquanto essas duas partículas viajam até cerca de 1000 angstroms (equivalente a cerca de 500 átomos enfileirados). O estado emaranhado é um sistema crucial na computação quântica e partículas emaranhadas pela reflexão de Andreev estão entre as candidatas a implementar os bits quânticos.

Outra linha de investigação do grupo, distinta das demais, é a aplicação da teoria quântica do campo na física da matéria condensada. A teoria quântica do campo é normalmente usada na física de partículas de alta energia, envolvendo experimentos em grandes aceleradores de partículas. No entanto, na física do estado sólido há fenômenos análogos aos que acontecem nesses imensos aparelhos. O mecanismo da supercondutividade, por exemplo, é semelhante ao da quebra de simetria que é associada ao bóson de Higgs. Só que, nesse caso, quem aparece não é o Higgs, mas um par de Cooper – um par de elétrons que se comporta como uma “quase-partícula”, responsável pela supercondutividade. Os fótons (campo de gauge), no interior do supercondutor, ficam massivos, o que resulta na expulsão do campo magnético para a superfície do supercondutor, fenômeno que é conhecido pelo nome de “efeito Meissner”.

A ideia é que, com uma abordagem alternativa, é possível estudar fenômenos da física da matéria condensada com instrumentos distintos, que fornecem perspectivas diferentes e com os quais pode-se ter ideias novas e levantar perguntas que dificilmente apareceriam de outra forma. O objetivo, assim, é enriquecer o estudo estudo dos fenômenos físicos.

Outro exemplo importante é o efeito Hall de spin, dual do conhecido efeito Hall eletrônico. Neste último, a aplicação de um campo magnético modifica o movimento das cargas elétricas. No efeito dual (descoberto recentemente), a corrente de spin é afetada pela aplicação de um campo elétrico, por meio do acoplamento do spin com o movimento orbital dos elétrons dos átomos (ver figura abaixo). Estudos teóricos do grupo – com uma abordagem geométrica da teoria quântica –, mostraram que este fenômeno aparece como conseqüencia de simetrias (invariância de gauge).

Esquema do efeito Hall de spin. Os spins estão representados com setas azuis e os orbitais dos elétrons nos átomos, em amarelo. A seta “E” é o campo elétrico aplicado no material

História do grupo

As pesquisas começaram em 1976, na área do magnetismo. Houve uma grande variedade de linhas de pesquisa desde então, mas com ênfase nos fenômenos magnéticos.

A partir de 1986, passou-se a trabalhar também com sistemas quânticos e sistemas magnéticos de baixa dimensionalidade e supercondutividade de alta temperatura crítica.