Estados da matéria 300px|alt=Montagem com gelo, uma gota de água, nuvens no ar e descargas elétricas. Gelo, água líquida, ar com nuvens e plasma em descargas elétricas. As nuvens contêm gotículas de água suspensas no ar, que é gasoso. Tema Fases e estados físicos da matéria Estados clássicos Sólido, líquido, gás e plasma Condições relevantes Composição, temperatura e pressão Áreas de estudo Física da matéria condensada e física de partículas
A matéria pode se organizar em diferentes fases ou estados físicos, dependendo de seus constituintes e de fatores externos como pressão e temperatura. Entre os estados mais comuns estão o sólido, o líquido e o gás. Além dessas classes tradicionais, há outras formas de organização da matéria, com propriedades qualitativamente diferentes.
O termo fase tem sentido mais específico. Uma fase é uma parte de um sistema material uniforme quanto à composição química e ao estado físico. Um sistema pode conter fases distintas que se encontram no mesmo estado físico.
Moléculas complexas podem formar mesofases, como os cristais líquidos, intermediárias entre as fases líquida e sólida. Em temperaturas elevadas ou sob campos eletromagnéticos intensos, os átomos podem se ionizar e formar plasma.
Em baixas temperaturas, os elétrons de materiais sólidos também podem se organizar em fases eletrônicas, como o estado supercondutor, no qual a resistividade elétrica em corrente contínua desaparece. Estados magnéticos como o ferromagnetismo e o antiferromagnetismo também são fases da matéria. A ordenação pode envolver momentos magnéticos eletrônicos ou spins nucleares. Esses estados são estudados pela física da matéria condensada.
Em condições extremas encontradas em algumas estrelas e no universo primordial, a matéria pode existir como matéria degenerada ou matéria de quarks. A matéria degenerada dos interiores estelares não é formada por átomos neutros comuns, e sua pressão depende da estatística quântica das partículas. Esses regimes são estudados pela astrofísica, pela física nuclear e pela física de altas energias.
No século XX, o conhecimento das propriedades da matéria levou à identificação de muitos estados. A lista abaixo reúne alguns exemplos. Os itens abrangem fases termodinâmicas, regimes fora do equilíbrio e alguns estados ligados.
Estados clássicos e da matéria condensada
Estados clássicos
miniatura|Representação esquemática da disposição das partículas nos estados sólido, líquido e gasoso.
Sólido: mantém forma e volume definidos sem precisar de um recipiente. Suas partículas permanecem próximas umas das outras. Sólido amorfo: sólido sem ordem translacional de longo alcance nas posições de seus constituintes. Sólido cristalino: sólido com organização ordenada de longo alcance. Nos cristais periódicos, átomos, moléculas ou íons se distribuem em um padrão que se repete no espaço. Quase-cristal: sólido com ordem de longo alcance, mas sem periodicidade translacional. Semicristalino: material polimérico no qual coexistem regiões cristalinas e regiões amorfas. Fases estruturais diferentes de materiais polimórficos podem ter simetrias distintas e ser diferenciadas na teoria de Landau. As diferentes fases do gelo são um exemplo. Líquido: fluido de baixa compressibilidade. Adapta-se à forma de seu recipiente e mantém um volume aproximadamente definido, que varia pouco com a pressão em condições usuais. Gás: fluido compressível. Adapta-se à forma do recipiente e se expande até preenchê-lo. Estados mesomórficos: estados da matéria intermediários entre o sólido cristalino e o líquido isotrópico. Cristal plástico: sólido molecular com ordem posicional de longo alcance no qual as moléculas conservam liberdade de rotação. Cristal condis: fase cristalina encontrada em alguns polímeros de cadeia flexível na qual as cadeias conservam desordem conformacional dinâmica apesar da ordem cristalina. Cristal líquido: apresenta propriedades intermediárias entre líquidos e cristais. Pode escoar como um líquido e apresentar ordem orientacional, por vezes acompanhada de ordem posicional parcial. Fluido supercrítico: fluido acima de sua temperatura crítica e de sua pressão crítica. Nesse regime, não há uma fronteira de coexistência entre líquido e gás. Plasma: ao contrário de um gás comum, formado principalmente por partículas neutras, contém elétrons livres e partículas ionizadas cujo comportamento coletivo é governado por interações eletromagnéticas. Pode gerar campos magnéticos e correntes elétricas e responde às forças eletromagnéticas.
Condensados, superfluidos e supercondutores
Condensado de Bose-Einstein: fase na qual uma fração macroscópica dos bósons ocupa o mesmo estado quântico de uma partícula. Em gases atômicos diluídos, sua produção exige temperaturas próximas do zero absoluto. Satyendra Nath Bose e Albert Einstein desenvolveram a previsão na década de 1920. O primeiro condensado em um gás atômico diluído foi produzido em 1995 pela equipe de Eric Cornell e Carl Wieman, seguido no mesmo ano pelos experimentos da equipe de Wolfgang Ketterle. Condensados de quasipartículas podem ocorrer em outras condições, como o condensado de mágnons produzido à temperatura ambiente com bombeamento por micro-ondas. Condensado fermiônico: estado no qual férmions emparelhados formam um condensado. Também é chamado de condensado de Fermi-Dirac. O princípio de exclusão de Pauli impede que férmions idênticos ocupem o mesmo estado quântico de uma partícula. O emparelhamento permite a formação de um estado coletivo condensado, sem violar esse princípio. Quando os pares são fortemente ligados, podem se comportar aproximadamente como bósons compostos. Supercondutor: material que, abaixo de uma temperatura crítica e dentro de limites de campo magnético e corrente, apresenta resistência elétrica nula em corrente contínua. A expulsão de campos magnéticos no estado de Meissner distingue a supercondutividade da simples condutividade perfeita. Nos supercondutores do tipo II, parte do fluxo magnético pode penetrar no estado misto sem destruir a supercondutividade. A supercondutividade é o estado fundamental de muitos metais elementares. Há diferentes tipos de supercondutores. Supercondutor convencional: supercondutor cujo emparelhamento eletrônico é explicado pela interação entre elétrons e vibrações da rede na teoria BCS, geralmente com pares em estado singlete e simetria de onda s. Supercondutor não convencional: supercondutor cujo estado de emparelhamento difere do estado singlete isotrópico convencional. Entre os exemplos estão os estados de onda d e os estados tripletes. A ordem supercondutora pode quebrar simetrias adicionais. Supercondutor na fase de Fulde-Ferrell-Larkin-Ovchinnikov: estado no qual os pares de Cooper têm momento total não nulo e o parâmetro de ordem supercondutor varia no espaço. Supercondutor ferromagnético: material que apresenta coexistência intrínseca de ferromagnetismo e supercondutividade. Supercondutor de carga 4e: estado proposto com ordem supercondutora de carga quatro vezes a carga elementar, correspondente à condensação de grupos de quatro elétrons, em lugar da ordem usual de pares de Cooper. Superfluido: fase na qual uma componente do fluido pode escoar sem dissipação, dentro de condições críticas de escoamento. O hélio superfluido, obtido em temperaturas criogênicas, pode formar um filme que sobe pelas paredes de um recipiente e escorre pelo lado externo. A rotação de um superfluido pode produzir vórtices quantizados. Superfluido de polaritons: estado superfluido de exciton-polaritons em microcavidades semicondutoras. A supressão do espalhamento por obstáculos, sob determinadas condições de escoamento, permite observar esse comportamento. Supersólido: estado no qual a ordem cristalina, com modulação espacial da densidade, coexiste com superfluidez. Supervidro: estado amorfo com superfluidez, previsto em simulações de hélio-4. Sua estrutura é desordenada, sem a ordem cristalina de um supersólido.
Estados magnéticos
Ferromagnetismo: estado com magnetização espontânea, mesmo sem campo magnético externo. Antiferromagnetismo: estado com ordem magnética na qual os momentos magnéticos se compensam. No caso colinear simples, momentos de sub-redes distintas apontam em sentidos opostos. Ferrimagnetismo: estado no qual momentos magnéticos opostos se cancelam apenas parcialmente, deixando magnetização resultante. Altermagnetismo: estado de ordem magnética colinear com magnetização resultante nula e separação das bandas eletrônicas por spin, que pode existir mesmo sem acoplamento spin-órbita. Onda de densidade de spin: estado ordenado no qual a densidade de spin varia periodicamente no espaço. Helimagnetismo: estado no qual a orientação dos momentos magnéticos gira ao longo de uma direção espacial. Vidro de spin: estado no qual os momentos magnéticos ficam congelados em orientações desordenadas, sem a ordem periódica de um ferromagneto ou antiferromagneto. Líquido de spin quântico: estado de spins quânticos interagentes que não desenvolve ordem magnética convencional mesmo no limite de temperatura zero.
Estados com ordenamento eletrônico Ferroeletricidade: estado com polarização elétrica espontânea cuja orientação pode ser invertida por um campo elétrico externo. Antiferroeletricidade: estado com ordenamento de dipolos elétricos que se compensam, sem polarização macroscópica espontânea. No arranjo antiparalelo simples, dipolos de sub-redes distintas apontam em sentidos opostos. Ordenamento de carga: estado com distribuição espacial ordenada de cargas eletrônicas, encontrado sobretudo em materiais fortemente correlacionados, como óxidos de metais de transição e condutores orgânicos. A interação entre elétrons pode favorecer ocupações eletrônicas diferentes em sítios distintos da rede e a formação de uma super-rede ordenada. A transição para esse estado pode ser de primeira ou de segunda ordem. Os padrões incluem listras e arranjos semelhantes a um tabuleiro de xadrez, sem se restringirem a sistemas bidimensionais. Certos padrões de ordenamento de carga podem produzir ferroeletricidade. Fases com ordenamento de carga também podem ocorrer próximas de fases supercondutoras ou de regimes com magnetorresistência colossal. Onda de densidade de carga: estado ordenado no qual a densidade de carga varia periodicamente no espaço. Isolante excitônico: fase quântica proposta para semicondutores ou semimetais na qual pares elétron-buraco ligados se formam espontaneamente e se condensam no estado fundamental. Distinguir a ordem excitônica de outros mecanismos de abertura de uma lacuna de energia é uma dificuldade na identificação experimental dessa fase.
Estados topológicos da matéria Estado Hall quântico: estado topológico da matéria com condutância Hall quantizada e resistência longitudinal nula no regime ideal. Estado Hall quântico fracionário: estado com quasipartículas de carga fracionária. Sua condutância Hall assume valores fracionários do quantum de condutância , em que é a carga elementar e é a constante de Planck. Estado Hall quântico de spin: fase bidimensional com interior isolante e canais de condução nas bordas, nos quais estados com spins opostos se propagam em sentidos opostos. Esses canais são protegidos pela simetria de reversão temporal. Estado Hall quântico anômalo: estado que apresenta condutância Hall quantizada mesmo na ausência de um campo magnético externo. Isolante topológico: material com interior isolante e estados eletrônicos condutores na superfície, ou nas bordas em sistemas bidimensionais, protegidos pelas simetrias pertinentes à fase. Isolante de Chern fracionário: fase com ordem topológica semelhante à do estado Hall quântico fracionário em uma rede cristalina, sem necessidade do campo magnético uniforme que produz os níveis de Landau.