Física
Pesquisadores identificam ‘enrijecimento do tipo Higgs’ em transições de fase
Mecanismo análogo ao de criação de massa emerge na vizinhança de transições de fase; o estudo também aponta conexões do fenômeno com as chamadas excitações fractônicas, que vêm ganhando destaque na física de sistemas fortemente correlacionados
Física
Pesquisadores identificam ‘enrijecimento do tipo Higgs’ em transições de fase
Mecanismo análogo ao de criação de massa emerge na vizinhança de transições de fase; o estudo também aponta conexões do fenômeno com as chamadas excitações fractônicas, que vêm ganhando destaque na física de sistemas fortemente correlacionados
a) Energia livre de Landau F versus parâmetro de ordem ϕ para várias temperaturas em termos da temperatura crítica Tc; b) Densidade de energia potencial U (ϕ1, ϕ2) versus ϕ1 versus ϕ2, onde ϕ1 e ϕ1 são os campos escalares; energia livre F (ε′, ε′′) versus ε′ versus ε′′, onde ε′ e ε′′ se referem às componentes reais e imaginárias da constante dielétrica. As linhas sólidas nas cores azul e preta representam, respectivamente, os modos de Nambu-Goldstone e de Higgs.
José Tadeu Arantes | Agência FAPESP – Um grupo de físicos da Universidade Estadual Paulista (Unesp) identificou uma manifestação universal da matéria que ocorre na vizinhança de transições de fase – como a passagem da água líquida para o gelo, de uma fase não magnética para uma magnética ou a emergência de ferroeletricidade em sólidos. O trabalho, publicado em agosto do ano passado na revista Scientific Reports, propõe que, na vizinhança de transições de fase, o material apresenta um tipo de “enrijecimento”, mecanismo que os autores denominaram “Higgs-like stiffness“ (ETH), ou “enrijecimento do tipo Higgs”.
Embora inspirado no célebre mecanismo de Higgs – responsável pela geração de massa das partículas elementares no Modelo Padrão e referido com o sobrenome de um dos vencedores do Prêmio Nobel de Física de 2013, Peter Higgs –, o ETH é uma analogia a tal mecanismo no contexto da física da matéria condensada. O proposto ETH surge na proximidade de transições de fase por causa de flutuações da amplitude do parâmetro de ordem, sendo associado à energia que deve ser “paga” para se estabelecer a nova fase.
“Na vizinhança de uma transição de fase, as diferentes fases competem entre si. Isso dá origem a um ‘enrijecimento’, que é reminiscente da criação de massa descrita pelo mecanismo de Higgs. Vale mencionar que tal mecanismo possui sua gênese na supercondutividade, antes mesmo de ser aplicado na física de altas energias, sendo o físico Philip W. Anderson o pioneiro no tema”, afirma Mariano de Souza, professor do Departamento de Física da Unesp no campus de Rio Claro e coordenador da pesquisa.
Parâmetro de ordem
Desde meados do século 20, a física das transições de fase vem sendo descrita amplamente pela teoria de Landau, assim nomeada em referência ao físico e matemático soviético Lev Davidovich Landau (1908-1968), a partir do conceito de “parâmetro de ordem”, definido como uma observável física que é zero acima da temperatura crítica de transição Tc e finita abaixo de Tc. “Em outras palavras, ao diminuir a temperatura de um dado sistema, dependendo das suas propriedades físicas, o mesmo torna-se magnetizado ou polarizado espontaneamente abaixo de Tc, ocorrendo a chamada quebra espontânea de simetria”, descreve Souza.
É o caso da polarização elétrica em materiais ferroelétricos, um caso de estudo do trabalho.
O que o grupo da Unesp fez foi reinterpretar esse cenário levando em consideração um ingrediente adicional: a existência de uma componente dissipativa, intrínseca em qualquer material real. Quando o parâmetro de ordem é reescrito em termos de uma grandeza complexa, com uma parte real e uma parte imaginária, a energia livre ganha estrutura matemática idêntica à da chamada “teoria ϕ4”, que é utilizada para se descrever a quebra espontânea de simetria em uma transição de fase de segunda ordem, dando origem aos modos de Nambu-Goldstone (não massivo) e Higgs (massivo). Na forma gráfica, a energia livre assumida pelo sistema em função da parte real e imaginária da grandeza física conectada ao parâmetro de ordem toma o formato de “chapéu mexicano” – o mesmo comportamento observado no corpo da teoria ϕ4 (ver figura no alto).
“Essa comparação entre a energia livre de Landau e a densidade de energia potencial da teoria ϕ4 foi central. Ela nos permitiu reconhecer que o desvio do comportamento ideal da grandeza complexa relacionada ao parâmetro de ordem devido à presença inerente de uma componente dissipativa introduz naturalmente um enrijecimento”, diz Souza.
Para demonstrar a proposta, os pesquisadores investigaram como caso de estudo o sistema (TMTTF)2SbF6, onde TMTTF é a molécula base tetrametiltetratiafulvaleno e SbF6 o chamado contra-ânion, um sal molecular conhecido por apresentar uma transição ferroelétrica concomitante com uma transição metal-isolante de Mott em torno de 157 K.
Considerando a definição da constante dielétrica complexa – que tem uma parte real (ε′) e uma parte imaginária (ε″) – os autores reescreveram a polarização elétrica (parâmetro de ordem da transição ferroelétrica) em termos dessa grandeza complexa. Neste contexto, naturalmente emergiu uma analogia direta entre o modo massivo e não massivo da teoria ϕ4 com ε′ e ε′′, respectivamente”.
A chave está no desvio entre o comportamento ideal de ε′ e o observado experimentalmente, desvio este produzido pela presença de ε″. Essa diferença, análoga à “condutividade excessiva” usada para identificar o modo de Higgs em supercondutores desordenados, é chamada pelos autores de “constante dielétrica excessiva”, a qual quantifica o ETH.
“Mostramos como caso de estudo que, na vizinhança da transição ferroelétrica, aparece um enrijecimento na reorientação dos dipolos elétricos devido à variação da amplitude do parâmetro de ordem”, afirma Souza. “É a energia que se deve ‘pagar’ para estabelecer a nova fase”.
Os resultados experimentais mostram que ε′ atinge um máximo nítido exatamente na temperatura crítica, sendo tal assinatura em ε′ em função da temperatura para uma transição ferroelétrica bem conhecida na literatura para alguns sistemas.
Contribuição iônica para a parte real da constante dielétrica ε′ normalizada pela permissividade do vácuo em função da temperatura para os sistemas hidrogenado (H12 – círculos na cor laranja) e deuterado (D12 – círculos na cor azul) do sal molecular (TMTTF)2SbF6. As linhas sólidas na cor amarelo e azul representam o comportamento previsto pela teoria de Landau. As regiões na cor cinza, exceto na temperatura crítica e na sua vizinhança imediata, indica uma maior variação de ε′ e também o regime em que a manifestação do ETH é mais expressiva. No Inset é mostrado uma foto real da amostra inserida em uma “máscara” isolante elétrica com contatos elétricos utilizando fios de ouro revenidos com diâmetro de 20μm
A proposta do ETH levou os pesquisadores a conectarem o “enrijecimento” associado à reorientação dos dipolos elétricos com excitações fractônicas, as quais estão associadas com a “imobilidade” de cargas em certas condições.
“No composto estudado, a emergência das excitações fractônicas está relacionada ao ‘congelamento’ dos graus de liberdade de rotação dos grupos metileno da molécula TMTTF e dos contra-ânions SbF6. À medida que a transição se aproxima ao variarmos a temperatura, a formação dos dipolos elétricos restringe os graus de liberdade de rotação tanto do contra-ânion quanto dos grupos metilenos, o qual interpretamos como a manifestação de fráctons neste sistema”, informa Souza.
Embora o caso de estudo seja uma transição ferroelétrica, a proposta dos autores é universal. Qualquer transição de fase pode apresentar um ETH desde que o parâmetro de ordem possa ser associado a uma grandeza complexa.
O que varia, enfatiza Souza, é a natureza física do enrijecimento. Em um ferroelétrico, trata-se da rigidez associada à reorientação dos dipolos elétricos; em uma transição magnética, da rigidez de spin; em uma transição supercondutor-superisolante, da imobilidade dos pares de Cooper; e assim por diante.
No Modelo Padrão, o campo de Higgs interage com partículas fundamentais e lhes confere massa. No trabalho em pauta, o “campo de calibre” equivalente é o campo elétrico local gerado pelas interações dipolares, enquanto a “fase” é dada por arctan(ε″/ε′) – um ângulo que descreve a relação entre as partes real e imaginária da constante dielétrica. Dessa forma, ε′ “engole” ε″, adquirindo um caráter massivo – uma analogia direta com o mecanismo discutido por Higgs, Englert e Brout nos anos 1960.
O estudo sugere que a observação experimental de grandezas complexas (como a constante dielétrica, a suscetibilidade magnética ou a condutividade óptica) pode revelar novos mecanismos fundamentais acerca de transições de fase em termos do ETH. Como perspectiva, os pesquisadores planejam explorar a dependência de ε′ e ε″ com a frequência no composto estudado e estender a análise para outros materiais de interesse.
O artigo teve como primeiro autor o pós-doutorando Lucas Squillante, supervisionado por Souza. E contou com as colaborações de Antonio Seridonio, professor do Departamento de Física e Química Unesp em Ilha Solteira; Roberto Lagos-Monaco, professor titular aposentado da Unesp em Rio Claro; e Gustavo Vitor e Samuel Soares, ambos mestrandos orientados por Souza.
O trabalho contou com apoio da FAPESP por meio dos projetos 11/22050-4 e 18/09413-0.
O artigo Higgs like stiffness and fractons on the verge of phase transitions pode ser lido em: nature.com/articles/s41598-025-17333-2.
Fonte ==> Folha SP
