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Estado físico da matéria

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Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
(Redirecionado de Estado físico)
 Nota: Não confundir com Fase (matéria).
 Nota: Para uma lista de estados exóticos da matéria, veja Lista de estados da matéria.
Estado físico da matéria
Ampola com bromo líquido castanho e vapor de bromo, dentro de um cubo transparente de acrílico.
Bromo nos estados líquido e gasoso, em uma ampola envolvida por acrílico sólido.
Conceito Forma de organização da matéria
Estados clássicos Sólido, líquido, gás e plasma
Condições relevantes Temperatura, pressão e composição
Conceitos relacionados Fase e transição de fase

Na física, um estado físico da matéria é uma das formas distintas em que a matéria pode existir. Os quatro estados clássicos são o sólido, o líquido, o gás e o plasma.

Os estados diferem pela maneira como suas partículas constituintes, como átomos, moléculas, íons e elétrons, se organizam e se comportam coletivamente. Em um sólido, as partículas permanecem próximas e oscilam em torno de posições relativamente estáveis, o que permite ao material manter forma e volume definidos. Em um líquido, as partículas permanecem próximas, mas podem mudar de posição umas em relação às outras, de modo que a substância conserva um volume aproximadamente definido e assume a forma do recipiente. Em um gás pouco denso, as partículas ficam muito afastadas e se deslocam pelo recipiente, preenchendo o espaço disponível.[1] O plasma contém partículas carregadas livres, cujos movimentos produzem respostas coletivas a campos elétricos e magnéticos.[2]

Além dos estados clássicos, existem outros modos de organização da matéria. Os cristais líquidos, por exemplo, têm propriedades encontradas em sólidos e líquidos. Outros estados se distinguem pelo ordenamento de graus de liberdade que não se resumem às posições dos átomos. No ordenamento magnético, são os momentos magnéticos dos constituintes, produzidos pelo spin e pelo movimento orbital dos elétrons, que se organizam. Mesmo em um sólido cuja estrutura cristalina permanece a mesma, podem ocorrer estados magnéticos diferentes, como o ferromagnetismo e o antiferromagnetismo.[3]

Alguns estados surgem sob condições extremas, como os condensados de Bose-Einstein e os condensados fermiônicos produzidos em gases ultrafrios, a matéria degenerada de nêutrons, sob densidades extremas, e o plasma de quarks e glúons, estudado em física nuclear de alta energia.

O termo fase é por vezes usado como sinônimo de estado da matéria, mas os conceitos não são idênticos. Em termodinâmica, uma fase é uma parte de um sistema material uniforme em composição química e estado físico.[4] Um mesmo composto pode formar fases diferentes dentro do mesmo estado físico. O gelo, por exemplo, é água no estado sólido, mas existem fases distintas do gelo, com estruturas cristalinas diferentes, formadas sob diferentes pressões e temperaturas.[5]

Quatro estados clássicos

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Sólido

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Ilustração simplificada de partículas no estado sólido, próximas umas das outras e vibrando em torno de posições de equilíbrio.

Em um sólido, as partículas constituintes, como íons, átomos ou moléculas, ficam próximas umas das outras. As interações entre as partículas restringem seus deslocamentos, embora elas possam vibrar. Por isso, nas mesmas condições de temperatura e pressão, um sólido mantém forma e volume aproximadamente definidos. Sua forma pode ser alterada pela aplicação de forças, como quando ele é deformado, quebrado ou cortado.[1]

Nos sólidos cristalinos, as partículas dispõem-se em um padrão ordenado e repetitivo. Existem diferentes estruturas cristalinas, e uma mesma substância pode apresentar mais de uma estrutura, ou fase sólida. Sob pressão atmosférica, o ferro possui estrutura cúbica de corpo centrado em temperaturas inferiores a aproximadamente 912 °C e estrutura cúbica de faces centradas entre aproximadamente 912 °C e 1.394 °C. O gelo também possui estruturas cristalinas distintas, estáveis sob diferentes condições de temperatura e pressão.[6]

O vidro e outros sólidos amorfos não apresentam a ordem posicional de longo alcance de um cristal. O estado vítreo, abordado abaixo entre os estados não clássicos, resulta do bloqueio dos rearranjos estruturais e não está em equilíbrio termodinâmico estrutural.[7]

Sólidos podem ser transformados em líquidos por fusão, e líquidos podem ser transformados em sólidos por solidificação. Sólidos também podem passar diretamente ao estado gasoso por sublimação, e gases podem passar diretamente ao estado sólido por deposição.[8]

Líquido

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Ilustração simplificada de partículas no estado líquido, que podem mudar de posição umas em relação às outras.

Um líquido é um fluido pouco compressível que assume a forma do recipiente, mas conserva um volume aproximadamente constante sob pequenas variações de pressão. Seu volume depende da temperatura e da pressão. Quando um sólido é aquecido até seu ponto de fusão, ele pode tornar-se líquido, desde que essa fase seja estável nas condições consideradas. No diagrama de fases usual de uma substância pura, a fase líquida estável exige pressão superior à do ponto triplo.[8] As forças intermoleculares, interatômicas ou interiônicas permanecem presentes, mas as partículas podem mudar de posição e o material escoa. A forma de um líquido depende, assim, do recipiente. Para a mesma massa, seu volume costuma ser maior que o do sólido correspondente. A água é uma exceção sob pressão atmosférica, pois seu gelo comum é menos denso que a água líquida. A temperatura máxima na qual líquido e vapor podem coexistir em equilíbrio é a temperatura crítica.[9][8]

Gás

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Ilustração simplificada de partículas no estado gasoso. Em um gás pouco denso, as distâncias entre elas são muito maiores que seus tamanhos.

Um gás é um fluido compressível. Além de assumir a forma do recipiente, ele se expande para preencher o espaço disponível.

Em um gás suficientemente diluído, a distância típica entre partículas vizinhas é muito maior que o tamanho das próprias partículas. Nessas condições, as interações intermoleculares têm efeito relativamente pequeno sobre muitas propriedades do gás. No modelo de gás ideal, essas interações são desprezadas, exceto durante colisões elásticas, e o movimento das partículas fornece a energia cinética translacional do gás. Um gás não possui forma nem volume próprios. Um líquido pode ser transformado em gás por aquecimento a pressão constante até seu ponto de ebulição, ou pela redução da pressão a temperatura constante.[10]

Em temperaturas abaixo de sua temperatura crítica, a fase gasosa de uma substância também recebe o nome de vapor e pode ser liquefeita por compressão isotérmica. Um vapor pode coexistir em equilíbrio com um líquido ou sólido. Para uma substância pura, sua pressão nesse equilíbrio é a pressão de vapor da fase condensada.[10]

Um fluido supercrítico é uma substância sob temperatura e pressão superiores, respectivamente, à temperatura e à pressão críticas. Nessas condições, não há uma fronteira de coexistência entre líquido e gás. Um fluido supercrítico pode apresentar propriedades de transporte semelhantes às de um gás e densidade suficientemente alta para atuar como solvente. O dióxido de carbono supercrítico, por exemplo, é usado na extração de cafeína durante a produção de café descafeinado.[10][8]

Plasma

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Emissão luminosa do hélio em uma descarga elétrica, na qual se forma um plasma.
Plasma produzido no ar por uma escada de Jacó. A diferença de potencial entre as hastes mantém a descarga elétrica.

Um gás pode tornar-se plasma por aquecimento, por uma descarga elétrica ou pela absorção de radiação capaz de ionizá-lo. Na ionização, elétrons são removidos de átomos ou moléculas. Um plasma parcialmente ionizado contém partículas neutras, íons e elétrons livres. Em um plasma totalmente ionizado, não restam elétrons ligados aos núcleos. O grau de ionização depende da composição, da densidade e da energia disponível. A presença de cargas livres permite comportamentos coletivos que distinguem um plasma de um gás neutro.[2]

Plasmas são produzidos por raios, centelhas elétricas, lâmpadas fluorescentes, letreiros de néon e telas de plasma. A coroa solar e o interior das estrelas contêm plasma. Certas chamas também contêm cargas suficientes para apresentar comportamento de plasma, mas nem toda chama pode ser classificada dessa maneira. Embora não seja o estado usual da matéria junto à superfície terrestre, o plasma constitui grande parte da matéria visível do universo.[11][12][2]

Transições de fase

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Nomenclatura de diferentes transições entre estados físicos.

Uma transição de fase corresponde a uma mudança na natureza de uma fase ou no número de fases quando variam condições externas, como temperatura, pressão ou um campo aplicado.[13] Fases distintas podem ocupar regiões diferentes do conjunto de estados termodinâmicos de um sistema. A água, por exemplo, possui diferentes fases sólidas.[5] O aparecimento da supercondutividade está relacionado a uma transição de fase. Estados ferromagnéticos também são separados de estados paramagnéticos por transições. Fases com propriedades intermediárias entre as de um cristal e as de um líquido isotrópico são chamadas de mesofases. Os cristais líquidos são exemplos.[14][15]

Em uma transição de primeira ordem, primeiras derivadas da energia livre, como a entropia ou o volume, apresentam descontinuidades no ponto de transição.[16] Nem toda passagem entre comportamentos macroscópicos exige uma transição descontínua. A curva de coexistência entre líquido e gás termina no ponto crítico. Um caminho no diagrama de fases que contorne esse ponto pode passar de condições típicas de líquido às de gás sem cruzar a curva de coexistência.[8] A ionização de um gás também pode aumentar gradualmente, sem que todas as partículas se ionizem ao mesmo tempo.[2]

Cubos de gelo derretendo durante uma mudança de estado.
Transições entre estados físicos
De \ Para Sólido Líquido Gás Plasma
Sólido — Fusão Sublimação —
Líquido Solidificação — Vaporização —
Gás Deposição Condensação — Ionização
Plasma — — Recombinação —

As curvas de um diagrama de fase de pressão e temperatura de uma substância pura delimitam condições nas quais duas fases coexistem em equilíbrio. No ponto triplo, três fases coexistem.[8] Para um sistema em equilíbrio, na forma usual em que temperatura e pressão são as variáveis externas independentes, a regra das fases de Gibbs relaciona o número de graus de liberdade F, o número de componentes independentes C e o número de fases P:[17]

As transições clássicas entre sólido, líquido e gás são mudanças físicas e não exigem alteração da composição química. O gelo que derrete e o vapor que se condensa, por exemplo, continuam sendo H2O.[18]

O estado de uma determinada quantidade de matéria depende das condições de pressão e temperatura. Muitas substâncias comuns são sólidas em temperaturas próximas do zero absoluto sob pressões ordinárias, mas essa não é uma regra universal. O hélio, por exemplo, precisa ser comprimido para solidificar, mesmo em temperaturas muito baixas. Sob condições adequadas, o aquecimento pode levar um sólido à fusão, um líquido à ebulição e um gás à ionização. Essa sequência depende do diagrama de fases e da estabilidade química da substância.[8][3][2]

Formas de matéria que não são constituídas por moléculas também podem apresentar fases distintas. Superfluidos, condensados fermiônicos e o plasma de quarks e glúons são exemplos de estados cujo comportamento exige uma descrição quântica coletiva.

Estados não clássicos

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Vidro

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Rede irregular de átomos de silício e oxigênio.
Rede periódica de átomos de silício e oxigênio.
Representação esquemática de uma rede vítrea, à esquerda, e de uma rede cristalina ordenada com a mesma composição química, à direita.

O vidro é um material não cristalino que apresenta uma transição vítrea quando a escala de tempo dos rearranjos estruturais se torna comparável à da observação. Ao ser aquecido, ele passa gradualmente a responder como um líquido super-resfriado. Vidros podem ser produzidos a partir de redes inorgânicas, como o vidro de janela formado por silicato e aditivos, ligas metálicas, líquidos iônicos, soluções aquosas, líquidos moleculares e polímeros.[7]

Um vidro está fora do equilíbrio estrutural. Isso não impede que sua temperatura seja uniforme ou que ele esteja em equilíbrio térmico com o ambiente. Sua estrutura amorfa pode persistir por períodos muito longos porque os rearranjos são lentos. A relaxação estrutural e a eventual cristalização dependem do material e das condições de temperatura.[7]

Cristais com algum grau de desordem

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Um cristal plástico é um sólido molecular com ordem posicional de longo alcance, mas cujas moléculas mantêm liberdade de reorientação. Em um vidro orientacional, essas orientações ficam bloqueadas em uma configuração desordenada.[19]

Em um vidro de spin, são os momentos magnéticos que apresentam um congelamento desordenado, sem o alinhamento periódico de um ferromagneto ou antiferromagneto simples.[3]

Estados de cristal líquido

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Textura colorida de um cristal líquido observada ao microscópio entre polarizadores cruzados.
Cristal líquido nemático observado entre polarizadores cruzados, com ampliação de 100 vezes.

Os estados de cristal líquido possuem propriedades intermediárias entre líquidos e sólidos ordenados. Podem escoar e, ao mesmo tempo, manter ordem de orientação. Na fase nemática, os eixos de moléculas alongadas tendem a orientar-se ao longo de uma direção preferencial, chamada diretor. Isso não significa que todas as moléculas estejam perfeitamente paralelas ou que não possam girar. O para-azoxianisol, por exemplo, apresenta uma fase nemática entre aproximadamente 118 °C e 136 °C.[20]

A anisotropia dos cristais líquidos altera sua interação com a luz polarizada. O controle da orientação molecular por campos elétricos permite seu uso em mostradores de cristal líquido. Outros tipos de cristal líquido possuem formas diferentes de organização, como a disposição em camadas das fases esméticas.[21]

Separação de microfases

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Copolímero em bloco SBS observado por microscopia eletrônica de transmissão.

Copolímeros em bloco podem sofrer separação de microfases e formar nanoestruturas periódicas, como no copolímero em bloco de estireno-butadieno-estireno mostrado à direita. A separação de microfases pode ser entendida por analogia com a separação entre óleo e água. Blocos quimicamente incompatíveis tendem a ocupar regiões diferentes. Como estão unidos por ligações covalentes, não podem separar-se macroscopicamente como água e óleo. Formam, em vez disso, domínios com dimensões da ordem de nanômetros. O comprimento relativo dos blocos e a arquitetura das cadeias permitem a formação de morfologias diferentes.[22]

Alguns líquidos iônicos também apresentam organização em domínios nanométricos. Em líquidos com cadeias alquila suficientemente longas, regiões polares, que contêm os grupos carregados e seus contraíons, podem separar-se de regiões apolares formadas pelas cadeias. Não se trata de uma separação macroscópica entre cargas positivas e negativas.[23] Em líquidos iônicos próticos com cadeias alquila nos ânions, medidas de autodifusão também foram compatíveis com a formação de estruturas lamelares ou micelares.[24]

Estados magneticamente ordenados

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Átomos e íons de metais de transição frequentemente possuem momentos magnéticos resultantes de camadas eletrônicas parcialmente preenchidas. Esses momentos dependem do spin e do movimento orbital dos elétrons. Em certos sólidos, as interações entre momentos magnéticos produzem ordenamento ferromagnético, antiferromagnético ou ferrimagnético.[3]

Em um ferromagneto, como o ferro sólido, a magnetização espontânea possui uma direção definida dentro de cada domínio magnético. Quando os domínios não se compensam, pode haver magnetização macroscópica mesmo sem um campo magnético externo. Essa magnetização espontânea desaparece acima da temperatura de Curie, de aproximadamente 770 °C para o ferro. Acima dessa temperatura, o material ainda pode responder a um campo aplicado por paramagnetismo.[3]

Em um antiferromagneto colinear simples, duas sub-redes possuem momentos magnéticos iguais e opostos, que se cancelam. No óxido de níquel(II), NiO, o ordenamento dos momentos dos íons de níquel produz magnetização resultante nula. Também existem estruturas antiferromagnéticas mais elaboradas, sem uma simples divisão entre duas orientações opostas.[3]

Em um ferrimagneto, sub-redes com magnetizações opostas têm magnitudes diferentes. O cancelamento é incompleto e permanece uma magnetização resultante. A magnetita, Fe3O4, é um exemplo. Seus íons Fe2+ e Fe3+ ocupam sítios cristalográficos diferentes, e os momentos das sub-redes não se compensam por completo.[3]

Um líquido de spin quântico é um estado de um sistema de spins interagentes no qual flutuações quânticas impedem o ordenamento magnético convencional mesmo no limite de temperatura nula. Não se trata de um líquido no sentido mecânico. Os átomos podem ocupar uma rede sólida, enquanto seus spins mantêm um estado coletivo com correlações e entrelaçamento quântico. A frustração geométrica pode favorecer esse comportamento. Diferentemente de um vidro de spin, um líquido de spin quântico não é simplesmente uma configuração de momentos congelados em direções aleatórias.[25]

Superfluidos e condensados

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Hélio líquido em uma fase superfluida sobe pelas paredes do recipiente em um filme de Rollin e pode escorrer pela parte externa.

Condensados de Bose-Einstein e superfluidos

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Distribuição de velocidades em um gás de rubídio durante o resfriamento. A concentração central cresce com a formação do condensado de Bose-Einstein, à direita.

A condensação de Bose-Einstein foi prevista em 1925 por Albert Einstein, a partir da estatística desenvolvida por Satyendra Nath Bose e estendida por Einstein a gases materiais.[26] Em um gás de bósons, abaixo de uma temperatura crítica que depende da densidade e das propriedades das partículas, uma fração macroscópica pode ocupar o mesmo estado quântico de menor energia. Nos gases atômicos diluídos usados em laboratório, isso exige temperaturas muito próximas do zero absoluto, −273,15 °C.[26] O fenômeno recebe o nome de condensação por analogia com a condensação de um vapor, embora a condensação de Bose-Einstein seja uma concentração de ocupação em um estado quântico.[27]

O hélio-4, o isótopo mais comum do hélio, torna-se superfluido abaixo da temperatura lambda, de cerca de 2,17 K sob baixa pressão. Os resultados experimentais que estabeleceram sua superfluidez foram publicados em 1938.[28] No modelo de dois fluidos, uma componente superfluida pode escoar sem viscosidade, enquanto uma componente normal permanece presente em temperaturas não nulas. O hélio superfluido pode formar um filme que sobe pelas paredes do recipiente e escorre para fora.[29] Também transporta calor de maneira muito eficiente e, em rotação, pode formar vórtices quantizados. A superfluidez e a condensação de Bose-Einstein são propriedades relacionadas, mas distintas. No hélio-4, as fortes interações fazem com que a fração condensada seja muito menor que a fração superfluida em baixas temperaturas.[30]

Na fase gasosa, a condensação de Bose-Einstein permaneceu por décadas sem demonstração experimental. Em 1995, Eric Cornell e Carl Wieman, no JILA da Universidade do Colorado em Boulder, produziram um condensado em um gás diluído de rubídio. De forma independente, Wolfgang Ketterle produziu naquele ano um condensado em um gás de sódio.[27]

Supercondutores e condensados fermiônicos

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Ímã levitando acima de um disco supercondutor resfriado.
Ímã levitando acima de um supercondutor de YBa₂Cu₃O₇ resfriado com nitrogênio líquido.

Um condensado fermiônico envolve o comportamento coletivo de férmions emparelhados. O princípio de exclusão de Pauli impede férmions idênticos de ocuparem o mesmo estado quântico individual, mas pares de férmions podem apresentar comportamento bosônico e coerência coletiva. No regime de ligação forte, esses pares se aproximam de moléculas que formam um condensado de Bose-Einstein. Em supercondutores convencionais, os pares de Cooper podem ser muito extensos e sobrepor-se.[31] Supercondutores, a fase superfluida do hélio-3 e gases atômicos ultrafrios fornecem exemplos de sistemas fermiônicos emparelhados. A superfluidez de um gás de lítio-6 foi demonstrada pela observação de vórtices em 2005.[32]

Supercondutores apresentam resistividade elétrica nula abaixo de uma temperatura de transição, desde que a corrente e o campo magnético não excedam seus limites críticos. Ao perder a supercondutividade, o material volta a apresentar resistência elétrica.[33] No estado Meissner, o campo magnético é expulso do interior do material, exceto por uma pequena profundidade de penetração junto à superfície. Esse efeito Meissner corresponde ao diamagnetismo perfeito. Supercondutores do tipo II também admitem um estado misto, no qual o fluxo magnético penetra em vórtices entre dois campos críticos.[31] Ímãs supercondutores são usados em aparelhos de imagem por ressonância magnética.[33]

A supercondutividade foi descoberta em 1911. Durante 75 anos, era conhecida em metais, ligas e compostos metálicos a temperaturas inferiores a cerca de 30 K. Em 1986, descobriu-se a chamada supercondutividade de alta temperatura em certos óxidos cerâmicos.[34]

Matéria densa e estados de alta energia

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Matéria degenerada

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Sirius A ocupa o centro da imagem, e Sirius B é o pequeno ponto luminoso abaixo à esquerda.
Sirius A, ao centro, e a anã branca Sirius B, abaixo à esquerda, fotografadas pelo telescópio Hubble.

A expressão matéria degenerada é usada para regimes nos quais a ocupação dos estados quânticos tem um papel determinante no comportamento de um sistema de férmions. Isso ocorre quando a temperatura é baixa em comparação com a temperatura de Fermi, o que pode acontecer mesmo em objetos astrofísicos muito quentes, desde que sejam suficientemente densos. O princípio de exclusão de Pauli obriga férmions idênticos a ocupar estados quânticos diferentes e produz uma pressão que não desaparece no limite de temperatura nula. Em regimes fortemente degenerados, essa pressão depende muito menos da temperatura que a de um gás clássico.[3][35]

No interior das anãs brancas, elétrons deslocalizados formam um gás degenerado entre núcleos atômicos. A pressão de degenerescência eletrônica sustenta a estrela contra a gravidade. Nos modelos usuais de anãs brancas frias, o raio diminui à medida que a massa aumenta.[35]

Nas estrelas de nêutrons, a compressão favorece a captura de elétrons por prótons e a formação de matéria rica em nêutrons. A composição e a pressão dependem da degenerescência e das interações nucleares, e não apenas de um gás de nêutrons livres. Elétrons e prótons também permanecem presentes. O decaimento de nêutrons livres isolados não determina diretamente o comportamento dessa matéria, cuja composição depende do equilíbrio entre reações e dos estados quânticos disponíveis.[36]

A degenerescência eletrônica também participa da física do interior de Júpiter e das anãs marrons, onde pode ocorrer hidrogênio metálico. Em uma ampla faixa de massas, anãs marrons possuem raios relativamente semelhantes, em parte devido à degenerescência.[37] Nos metais, os elétrons de condução também podem ser aproximados por um gás de Fermi degenerado que se move através de uma rede de íons.[3]

Matéria de quarks

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Visualização de numerosas trajetórias de partículas que partem de uma região central.
Visualização de uma colisão de íons de chumbo no experimento NA49, no CERN. As linhas mostram trajetórias de partículas.

Na matéria comum, os quarks são confinados pela interação forte em hádrons. Prótons e nêutrons, por exemplo, contêm três quarks de valência. A matéria de quarks compreende fases nas quais quarks e glúons possuem graus de liberdade desconfinados, sem que isso elimine suas interações. Essas fases são esperadas sob densidades ou temperaturas extremas. O plasma de quarks e glúons criado em colisões de íons pesados tem vida muito curta e, ao esfriar, passa por hadronização, formando hádrons.[38]

A matéria estranha é uma forma hipotética de matéria de quarks que contém quarks up, down e strange. Certos modelos admitem que ela seja energeticamente estável mesmo sem pressão externa, mas essa hipótese não foi estabelecida experimentalmente.[39] Matéria de quarks pode existir no interior de estrelas compactas. Sua eventual presença altera a equação de estado usada nos cálculos de estrutura estelar, inclusive da massa máxima estável, relacionada ao limite de Tolman-Oppenheimer-Volkoff. Esse limite não possui um valor universal independente da composição da matéria.[36]

O plasma de quarks e glúons é uma fase quente na qual quarks e glúons ficam desconfinados em escalas maiores que as de hádrons individuais. Os glúons mediam a interação forte. Esse estado pode ser produzido por breves intervalos em colisões de íons pesados em aceleradores de partículas. Teorias sobre essa fase foram desenvolvidas no fim da década de 1970 e no começo da década de 1980.[40] Em 2000, resultados do programa de feixes de chumbo do CERN foram apresentados como evidência de um novo estado da matéria compatível com a formação de plasma de quarks e glúons.[41][42] O plasma produzido em colisões apresenta movimento coletivo semelhante ao de um líquido de baixa viscosidade.[43] O termo "plasma" não exige que o sistema se comporte como um gás ideal.[2]

Em densidades muito altas e temperaturas relativamente baixas, modelos de cromodinâmica quântica preveem condensados de pares de quarks. Uma dessas possibilidades é a fase de bloqueio cor-sabor, ou CFL, que apresenta supercondutividade de cor. Fases desse tipo são estudadas como possíveis constituintes do interior de estrelas de nêutrons, mas sua ocorrência nesses objetos não foi confirmada.[44]

Condensado de vidro de cor

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Equipamentos e tubulações ao longo de um túnel do acelerador RHIC.
Trecho do Colisor Relativístico de Íons Pesados, no Laboratório Nacional de Brookhaven, uma das instalações usadas para estudar colisões de núcleos em energias relativísticas.

O condensado de vidro de cor é uma descrição efetiva de hádrons e núcleos em um regime de alta densidade de glúons. Em colisões de energia muito alta, tornam-se relevantes glúons que carregam uma pequena fração do momento longitudinal do hádron. Sua densidade pode atingir um regime de saturação, no qual efeitos não lineares limitam o crescimento adicional. Pela relatividade especial, um núcleo ultrarrelativístico também aparece contraído na direção do movimento, mas a saturação não é simplesmente uma consequência geométrica dessa contração.

O condensado de vidro de cor é usado para estudar o estado inicial dos núcleos antes da colisão. Ele difere do plasma de quarks e glúons que pode formar-se depois dela. O Colisor Relativístico de Íons Pesados e o Grande Colisor de Hádrons permitem investigar esse regime.[45]

Estados de energia extremamente alta

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Ilustração em inglês da evolução do universo, desde suas primeiras etapas até a formação de estrelas e galáxias.
Ilustração da evolução do universo produzida pela NASA. O esquema fornece contexto cosmológico e não retrata diretamente estados da matéria na escala de Planck.

Teorias do universo primordial preveem regimes da matéria que não podem ser reproduzidos nas condições dos experimentos disponíveis. A origem da assimetria de bárions permanece sem uma explicação experimentalmente estabelecida. Há modelos em que ela é gerada durante transições de fase no universo primordial.[46]

Na teoria das cordas, a temperatura de Hagedorn está relacionada ao crescimento muito rápido do número de estados excitados e à mudança do comportamento térmico do sistema. Seu valor depende do modelo, não sendo uma temperatura universal para toda teoria de cordas.[47] A temperatura de Planck é uma escala da ordem de 1032 K.[48] Nessas escalas, uma descrição completa exige uma teoria de gravitação quântica. Não há uma descrição experimentalmente confirmada de um estado da matéria nessas condições. Esses regimes são estudados em cosmologia por sua possível relação com as fases iniciais do Big Bang.[49]

Outros estados e propostas teóricas

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Supersólido

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Desenho de dois tipos de átomos dispostos em um padrão periódico.
Ilustração de um modelo de supersólido formado por dois tipos de átomos ultrafrios. O desenho não é uma imagem experimental.

Um supersólido combina ordem espacial periódica com propriedades superfluidas. No mesmo sistema, a densidade apresenta uma modulação periódica e há resposta superfluida.[50] Estados com propriedades supersólidas foram realizados experimentalmente em gases quânticos ultrafrios, incluindo um condensado acoplado a cavidades ópticas em 2017.[51]

Líquido de rede de cordas

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Um líquido de rede de cordas é um estado quântico no qual graus de liberdade microscópicos formam uma superposição de configurações de redes de cordas. Essas cordas pertencem à descrição coletiva do sistema e não precisam ser objetos materiais alongados. O conceito foi desenvolvido em modelos de ordem topológica. Neles, excitações coletivas podem apresentar propriedades distintas das dos constituintes microscópicos, incluindo comportamento semelhante ao de partículas de calibre e férmions emergentes.[52]

Supervidro

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Um supervidro é uma fase proposta que combina superfluidez com uma estrutura amorfa congelada. Simulações de hélio-4 produziram um estado metaestável com essas propriedades, distinto de um supersólido por não apresentar ordem cristalina de longo alcance.[53]

Matéria de Rydberg

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Distribuição calculada de probabilidade, com anéis concêntricos e um máximo externo destacado.
Distribuição de probabilidade de um átomo de hidrogênio no estado de Rydberg 35s. A figura mostra um átomo isolado, não um agrupamento de matéria de Rydberg.

A matéria de Rydberg é um estado condensado excitado formado por agrupamentos de átomos de Rydberg, nos quais elétrons ocupam estados de número quântico principal elevado. Nos modelos desses agrupamentos, elétrons de valência ficam deslocalizados e o estado é metaestável. A teoria foi desenvolvida a partir da década de 1980, e experimentos com agrupamentos desse tipo são realizados desde aproximadamente 1990. Formas produzidas sobre superfícies podem apresentar comportamento semelhante ao de um líquido.[54]

Estado de cadeias fundidas

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Metais como o potássio podem formar, sob alta pressão, estruturas com uma rede hospedeira cristalina e cadeias de átomos que ocupam seus canais. Na fusão das cadeias, a sub-rede das cadeias perde sua ordem, enquanto a rede hospedeira permanece cristalina.[55] Simulações publicadas em 2019 encontraram desordem de longo alcance dentro das cadeias e entre elas, mas difusão atômica restrita aos canais. Esse resultado sustenta a interpretação de uma fase termodinâmica com características de sólido e líquido, sem equivaler à fusão de todo o cristal.[56]

Estado Hall quântico

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Gráfico com patamares na componente Hall e picos na componente longitudinal em função do campo magnético.
Curvas esquemáticas do efeito Hall quântico. A componente Hall apresenta patamares, enquanto a componente longitudinal tende a zero entre os picos.

Um estado Hall quântico apresenta quantização da resistência Hall, a razão entre a tensão transversal e a corrente aplicada. A tensão isoladamente não é uma constante quantizada independente da corrente. O fenômeno foi observado em sistemas eletrônicos bidimensionais submetidos a campos magnéticos intensos e baixas temperaturas.[57]

No estado Hall quântico de spin, canais de borda com sentidos de propagação opostos têm polarizações de spin opostas. Essa fase pode existir sem um campo magnético externo e foi observada experimentalmente em poços quânticos de telureto de mercúrio em 2007.[58]

Matéria fotônica

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Matéria fotônica é uma expressão usada para sistemas nos quais a interação da luz com um meio material produz excitações com massa efetiva e interações entre si. Em gases atômicos preparados com excitações de Rydberg, essas interações podem ligar pares de excitações luminosas, chamados informalmente de "moléculas" fotônicas. A massa é uma propriedade efetiva da propagação no meio e não uma massa de repouso adquirida pelo fóton livre. Fótons no vácuo possuem massa de repouso nula.[59]

Símbolos de estado em equações químicas

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Em uma equação química, o estado físico das substâncias pode ser indicado por (s) para sólido, (l) para líquido e (g) para gás. A indicação (aq) significa que uma espécie está dissolvida em água, formando uma solução aquosa, e não designa um estado físico adicional.[60] A reação do sódio com água pode ser escrita como:

Ver também

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Referências

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Ligações externas

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