Por que o ferro é ferromagnético?

Os ferromagnetos são materiais que exibem magnetização permanente, ou seja, a magnetização se sustenta mesmo na ausência de campos magnéticos aplicados. Um magneto permanente pode atrair ou repelir outros objetos, constituindo um exemplo vívido da ação de forças à distância. O nome deste fenômeno já revela o exemplo mais típico de material com este curioso comportamento. Ferro é um elemento bastante comum no Universo e sua estrutura cristalina de equilíbrio à temperatura ambiente é conhecida pelas letras bcc, de body-centered cubic. Ele se mantém num estado ferromagnético até a temperatura crítica de 1045 K. A qualquer dessas condições de temperatura, seu comportamento microscópico é difícil de descrever.

Sabe-se que existem magnetos microscópicos em cada átomo de ferro e que abaixo da temperatura crítica eles se alinham em uma direção única, resultando na magnetização macroscópica que observamos. O fenômeno é explicado como se se os magnetos atômicos se comunicassem através de um acoplamento conhecido como acoplamento de Heisenberg, ou interação de troca.

Agora, um trabalho com participação brasileira analisa as interações microscópicas, mostrando que a estrutura eletrônica básica induz o acoplamento de Heisenberg de modo particularmente eficiente no ferro, se beneficiando também do arranjo atômico na estrutura bcc. Esses são os principais ingredientes responsáveis pelo magnetismo do ferro. 

Publicado em 27 de maio de 2016 no periódico "Physical Review Letters", o estudo teve a participação de Ramon Cardias e Angela Burlamaqui Klautau, da Faculdade de Física da Universidade Federal do Pará, além de físicos da Suécia, da Holanda, da Rússia e da Alemanha.

O trabalho, partindo de cálculos de primeiros princípios, detalha os estados eletrônicos no ferro bcc que levam a um comportamento conforme descrito pelo acoplamento de Heisenberg e outros   favorecendo uma situação que se afasta dessa descrição clássica. Os pesquisadores também fazem uma análise de como o ferro bcc se comporta comparado a outros metais de transição magnéticos (níquel, cobalto, etc) e concluem que o ferro tem um comportamento singular no que diz respeito a interações de troca magnética, favorecendo um estado ferromagnético mais robusto que os demais.

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