O grafeno exibe nova propriedade física

O grafeno, uma estrutura finíssima de carbono com apenas um átomo de espessura, surpreendeu pesquisadores da Universidade da Califórnia Berkeley recentemente. Uma nova propriedade deste material foi observada quando um experimento estava em andamento: a criação de um campo pseudomagnético, de longe o mais forte jamais conseguido em laboratório. A descoberta poderá ser usada em futuros dispositivos eletrônicos.

 

© Universidade da Califórnia Berkeley (nanotubos de grafeno)

Os físicos descobriram que quando o grafeno é esticado para formar nanotubos em um substrato de platina, os elétrons se comportam de forma estranha, como se estivessem se movimentando em um campo magnético forte. “Este é um fenômeno físico completamente novo nunca visto em nenhum sistema de matéria condensada”, disse o professor e líder da equipe Michael Crommie da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA.

Apesar de muitos materiais já terem sidos testados em campos magnéticos para determinar como seus elétrons se comportam, o máximo de força destes campos conseguida em laboratório até hoje é de 85 T (tesla) e com duração de apenas milésimos de segundos. Quando campos magnéticos mais fortes são criados, os ímãs se afastam um do outro.

A capacidade de fazer com que os elétrons se comportem como se estivessem em um campo magnético de 300 teslas ou mais, apenas esticando o grafeno, oferece uma nova janela para uma gama de aplicações importantes e descobertas científicas fundamentais. Isto só é possível com o comportamento de elétrons do grafeno, um material diferente de qualquer outro já observado. Para fins comparativos, um aparelho de ressonância magnética comum, capaz de atrair objetos metálicos volumosos, cria um campo de apenas 3 teslas. Bobinas de campo eletromagnético pulsado conseguem criar campos de até 100 teslas, mas apenas por frações de segundo, sob o risco de explodirem.

A ideia de que uma deformação de grafeno poderia levar ao aparecimento de um campo pseudomagnético apareceu primeiro quando folhas de grafeno foram isoladas, em um contexto de nanotubos de grafeno.

O grupo de pesquisa de Crommie usou um microscópio de tunelamento de varredura para estudar monocamadas de grafeno crescendo em um substrato de platina. A platina possui um arranjo triangular de átomos e se encolhe mais do que o grafeno quando é resfriada. Dessa forma, a platina acaba puxando o grafeno em três direções diferentes, fazendo com que a molécula se enrugue e forme bolhas tetraédricas minúsculas, de 4 a 10 nanômetros de largura na base e alguns nanômetros de altura. O microscópio de tunelamento funciona usando uma sondagem de agulhas afiadas que passam ao longo da superfície de um material para medir as variações diminutas de mudanças na corrente elétrica, revelando a densidade de estados eletrônicos em cada ponto da varredura, enquanto constrói uma imagem da superfície.

Na mecânica quântica, as órbitas de elétrons se tornam quantificáveis e exibem níveis discretos de energia.  Estes níveis são chamados de níveis de Landau e correspondem a energias onde interferências ocorrem em uma função quântica de onda de elétrons orbitando. O número de elétrons ocupando cada nível de Landau depende da força do campo; quanto maior é o campo, maior é a energia de espaçamento entre os níveis de Landau, e os estados eletrônicos se tornam mais densos em cada nível. A força do campo é uma característica chave dos campos pseudomagnéticos previstos no grafeno. 

A densidade maior dos estados eletrônicos revelada pela  espectroscopia de tunelamento de varredura, que correspondia aos níveis de Landau, em alguns casos indicaram campos pseudomagnéticos gigantes acima de 300 teslas.

Fonte: Science

Intel apresenta chip fotônico a laser

A Intel anunciou um avanço importante rumo à utilização de feixes de luz para substituir o uso da eletricidade no transporte dos dados nos computadores.

A empresa desenvolveu um protótipo de chip fotônico que realizou, pela primeira vez, uma transmissão óptica de dados com lasers integrados em um chip de silício.

© Intel (chip transmissor composto por quatro lasers)

O link óptico é capaz de transmitir dados a distâncias maiores e em velocidades muito mais rápidas do que é possível com a tecnologia atual, chegando a até 50 gigabits de dados por segundo, isso equivale a transferir um filme inteiro em alta definição a cada segundo. O feito é a primeira demonstração prática de um chip fotônico criado pela empresa em 2006.

Os chips dos computadores atuais são interligados por fios de cobre ou por trilhas metálicas nas placas de circuito impresso. Devido à degradação do sinal gerada quando metais são utilizados para transmitir dados, esses cabos têm que ser muito curtos.

Isso limita o projeto dos computadores, porque exige que processadores, memória e outros componentes sejam colocados a poucos centímetros uns dos outros.

O novo chip fotônico é um passo importante para substituir essas conexões, que usam elétrons para transferir dados por finíssimas fibras ópticas que usam fótons para transferir muito mais dados a distâncias muito maiores.

A grande vantagem do novo chip fotônico é a sua construção baseada no silício, que é muito mais barato e fácil de lidar do que outros materiais pesquisados na área, como o arseneto de gálio.

O impacto da fotônica à base de silício vai além do interior dos computadores. Com as taxas de transmissão de dados alcançadas com esta tecnologia é possível imaginar telas 3D gigantescas, ocupando paredes inteiras, com uma resolução tão alta que será difícil distinguir o ambiente da sala do ambiente do filme.

Os datacenters também terão muito a ganhar, podendo ficar espalhados por vários locais diferentes, em vez de ficarem restritos a espaços pequenos, limitados pelos grossos cabos de cobre que interligam os diversos servidores.

A tecnologia ainda não está pronta para chegar ao mercado, mas ela permite que os engenheiros testem novas ideias e aprimorem as tecnologias para transmitir dados a velocidades crescentes.

© Intel (link de dois chips fotônicos de silício)

O campo das telecomunicações já utiliza lasers para transmitir informações opticamente, mas essas tecnologias, em seu nível atual, são caras e volumosas demais para serem usadas dentro de um computador pessoal.

O link de 50Gbps é estabelecido por dois chips fotônicos de silício, ambos com lasers integrados, um funcionando como transmissor e outro como receptor.

O chip transmissor é composto por quatro lasers, cujos feixes de luz são dirigidos a um modulador óptico, responsável por codificar os dados a 12,5 Gbps. Os quatro feixes são então combinados e injetados em uma única fibra óptica, alcançando a taxa de transferência total de 50Gbps.

Na outra ponta do link, o chip receptor faz o inverso, separando a luz da fibra óptica nos quatro feixes individuais e enviando-os para os fotodetectores, que convertem os dados de volta em sinais elétricos.

Os pesquisadores já estão trabalhando para aumentar a taxa de transferência de dados. Para isso eles pretendem acelerar o modulador e aumentar o número de lasers por chip, abrindo caminho para os links ópticos do futuro, na faixa dos terabits por segundo, que é o suficiente para transferir todos os dados de um laptop típico em um segundo.

Fonte: Intel

Matéria quântica em queda livre

Uma amostra de condensado de Bose-Einstein instalada em uma cápsula foi observada enquanto era submetida a queda livre a partir de uma altura de 120 metros, simulando uma situação de ausência de gravidade.

 

© Universidade de Bremen (cápsula quântica)

O experimento, realizado por um grupo internacional de cientistas e publicado recentemente na revista Science, reúne fundamentos das duas maiores revoluções da Física do século passado: a Teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica.
Apesar da aparente simplicidade, o experimento, coordenado por Tim van Zoest, do Instituto de Óptica Quântica da Universidade Leibniz, em Hannover (Alemanha), pode representar um passo fundamental em direção a uma nova revolução no estudo das propriedades gravitacionais da matéria quântica, abrindo caminho para observações de altíssima precisão, especialmente se os experimentos puderem ser reproduzidos no espaço com o uso de interferômetros atômicos.
Por suas implicações para o futuro da Física, o artigo mereceu um comentário na mesma edição da revista. Para essa tarefa, foram convidados dois pesquisadores do Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP): Paulo Nussenzveig e João Carlos Alves Barata.
Nussenzveig, que atua nas áreas de óptica quântica, física atômica e informação quântica, havia publicado em setembro de 2009, também na Science, artigo sobre uma descoberta relacionada ao emaranhamento quântico. A excelência do grupo brasileiro na área foi reconhecida pelos editores da revista norte-americana.
Segundo Barata, que atua na área de física matemática, o interesse pelo artigo não está nos resultados do experimento em si, que são limitados. Mas as técnicas e os instrumentos utilizados abrem perspectivas interessantes que poderão resultar em importantes conquistas no futuro.
"Certas revoluções científicas nascem de grandes mudanças de paradigmas, como a própria Teoria da Relatividade Geral. Outras nascem de mudanças em equipamentos e técnicas, como a invenção do laser. O experimento realizado pela equipe de Zoest se enquadra nessa última categoria, ao desenvolver meios que permitirão, no futuro, fazer testes muito precisos sobre a relatividade geral".
No comentário, os cientistas da USP explicam que os conceitos de "revoluções científicas induzidas por conceitos e equipamentos" foram extraídos do livro Imagined Worlds, do físico norte-americano Freeman Dyson.
O experimento coordenado por van Zoest foi realizado em Bremen, na Alemanha. Uma cápsula foi lançada de 120 metros de altura por dentro de uma torre onde foi feito vácuo. Os três segundos de queda, segundo Barata, são considerados um tempo relativamente longo para esse tipo de experimento.
"Dentro da cápsula havia uma amostra do condensado de Bose-Einstein e diversos sensores capazes de analisar uma série de efeitos sobre esse material durante a queda livre. Assim, os cientistas foram capazes de avaliar como a matéria se comporta em situações nas quais não há campo gravitacional agindo", explicou.
O condensado de Bose-Einstein, cuja existência foi prevista por Albert Einstein em 1925, a partir do trabalho de Satyendra Nath Bose, é uma fase da matéria formada por átomos em temperaturas próximas do zero absoluto, que permite a observação de efeitos quânticos em escala macroscópica.

© MIT (condensado Bose-Einstein)

"O mais interessante desse experimento não foram as medições feitas sobre o condensado, que se referiam, por exemplo, à expansão do material durante a queda, o que traz pouca informação. O principal é o fato de os autores terem conseguido reduzir um aparato tão complexo a uma escala que cabe em uma cápsula de dimensões reduzidas", destacou Barata.
A cápsula utilizada no experimento media 60 centímetros de diâmetro por 215 centímetros de comprimento. Normalmente, esse tipo de experimento requer um laboratório com lasers sofisticados, equipamentos ópticos delicados e cuidadosamente alinhados, câmaras de vácuo e sensíveis controles eletrônicos.
"Embora o experimento não envolva nenhum conceito novo, a redução para a instalação na cápsula é animadora, abrindo perspectivas para que experimentos semelhantes possam ser feitos no espaço. Até hoje o condensado de Bose-Einstein não havia sido reduzido dessa maneira", disse Barata.
O condensado de Bose-Einstein pode ser utilizado para produzir uma espécie de laser atômico que poderá substituir, no futuro, os lasers convencionais, proporcionando experimentos de precisão ainda maior.
"O experimento feito na Alemanha mostra que temos boas perspectivas para, utilizando esses aparatos, empregar a interferometria de átomos e, com ela, fazer experimentos de altíssima precisão", disse o professor titular do Departamento de Física Matemática do IF-USP.
O que falta para conseguir esses experimentos altamente precisos, segundo ele, é adaptar os instrumentos de interferometria atômica à escala utilizada no experimento feito na Alemanha. "Mas não vejo aí nenhum obstáculo tecnológico intransponível. A parte mais difícil eles já fizeram: produzir o condensado de Bose-Einstein nessa escala", afirmou.
Segundo Barata, caso se consiga realizar esse tipo de experimento no espaço, as perspectivas são promissoras. "O princípio de equivalência, por exemplo, poderá ser testado da seguinte maneira: fazendo-se a comparação, com interferômetros atômicos, entre o condensado de Bose-Einstein no espaço e em queda livre na Terra", disse.
O princípio de equivalência é considerado um dos fundamentos da Relatividade Geral: quando um objeto em um campo gravitacional é submetido a queda livre, é impossível distinguir o mesmo objeto em referência inercial, pois ele age como se estivesse no espaço, desprovido de peso.
Na órbita da Terra, com amostras atômicas ultrafrias, tais experimentos poderão ser feitos para medir com alta precisão os efeitos de "arrasto de referenciais", também previsto por Einstein. Nos experimentos espaciais poderão ser feitas também comparações entre os efeitos gravitacionais sobre átomos bosônicos e fermiônicos.
"Poderemos testar efeitos da Relatividade Geral que são bem conhecidos, mas que não foram observados adequadamente. O efeito de Lense-Thirring, por exemplo, foi previsto teoricamente e só na década de 1980 foram feitas medidas bastante limitadas sobre ele. Com esses condensados no espaço, poderão ser feitas medidas de altíssima precisão", explicou Barata.

Fonte: Agência FAPESP e Science

Luz que faz curva em U

Segundo a Teoria da Relatividade, a gravidade de um corpo celeste maciço curva o espaço ao seu redor. Os cientistas estão tentando fazer o mesmo no chamado "espaço óptico", que não é nenhuma localidade em especial, mas tão somente o espaço no qual a luz viaja. Se o espaço óptico se curva, então a luz que viaja por ele faz o mesmo caminho. Sob outro ponto de vista, o que se está tentando fazer é forçar a luz a fazer curvas.

© Zhang Group (guia de onda plamônico)

Já longe da ficção, esses experimentos estão na base de todos os feitos da invisibilidade, que têm-se multiplicado em laboratórios ao redor do mundo. Mas o potencial da chamada óptica transformacional, que estuda o controle das ondas de luz, vai muito além: poderosos microscópios capazes de mostrar moléculas de DNA com luz visível, ou supercomputadores que usam a luz em vez dos sinais eletrônicos para processar a informação são outras possibilidades.

A ferramenta básica para controlar e manipular as ondas de luz são os metamateriais, materiais artificiais, geralmente mesclando metais e isolantes, ou dielétricos, para formar estruturas que interagem com a luz de forma não-natural.

Apesar dos sucessos alcançados no curto tempo de vida desse novo campo da ciência, os pesquisadores vinham encontrando dificuldades em ajustar as propriedades físicas dos metamateriais em nanoescala, sobretudo por causa dos metais, em escalas menores do que o comprimento de onda da luz que se quer manipular.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia, ambos os Estados Unidos, descobriu que esse empecilho pode ser removido com a combinação da óptica transformacional com um outro campo da ciência igualmente novo e promissor, conhecido como plasmônica.

Um plasmon é uma onda eletrônica que viaja pelo mar de elétrons na superfície de um metal. Assim como a energia das ondas de luz é transportada em unidades quantizadas de partículas chamadas fótons, a energia plasmônica é transportada em quase-partículas chamadas plasmons de superfície.

Os plasmons interagem fortemente com os fótons na interface metal/isolante de um metamaterial, formando uma outra quase-partícula, chamada polariton de plasmon de superfície.

A manipulação desses polaritons está no coração das surpreendentes propriedades ópticas dos metamateriais.

© Zhang Group (espalhamneto de polaritons)

O esquema da esquerda mostra o espalhamento dos polaritons de plasmons de superfície sobre uma interface metal-dielétrica com uma única saliência. O esquema da direita mostra como o espalhamento dos polaritons é suprimido quando o espaço óptico ao redor da saliência é modificado.

Liderados pelo Dr. Xiang Zhang, os pesquisadores modelaram uma "óptica transformacional plasmônica", uma forma de manipular o material dielétrico, ou isolante, adjacente a um metal, mas sem alterar o próprio metal.

A técnica permite que os polaritons viajem através de superfícies irregulares e curvas em uma ampla faixa de comprimentos de onda, sem sofrer perdas significativas por espalhamento.

Usando a nova abordagem, Zhang e sua equipe desenvolveram um guia de ondas plasmônico com uma curva de 180 graus que força a luz a fazer um retorno perfeito, sem qualquer alteração nas suas propriedades ou na sua energia.

Eles também projetaram uma versão plasmônica da lente de Luneburg, um tipo de lente esférica capaz de receber e refletir ondas ópticas de múltiplas direções ao mesmo tempo.

"Como as propriedades dos metais nos nossos metamateriais permanecem completamente inalteradas, nossa metodologia de óptica transformacional plasmônica fornece uma maneira prática para guiar a luz em escalas muito pequenas", diz Zhang.

O Dr. Xiang Zhang é um dos pioneiros no campo da manipulação da luz e da invisibilidade, embora ele afirme que os metamateriais trarão benefícios mais práticos do que elusivos mantos da invisibilidade. Seus feitos mais recentes incluem um nanolaser de estado sólido e um novo material para exames de ultrassom.

Fonte: Nano Letters

Velocidade do elétron em chips é aumentada

Cientistas coreanos conseguiram aumentar em 20 vezes a velocidade de elétrons em chips de silício, elemento básico na indústria de computação.

© David Scharf/SPL (chip de silício e chumbo)

Chips tradicionais de silício possuem um nível de resistência elétrica que impõe restrições à velocidade dos elétrons. Quanto mais rápido é seu movimento, mais rápida é a transmissão de informação e, consequentemente, o poder de processamento.

Para quebrar esses limites, cientistas estão considerando outros materiais, principalmente o grafeno, composto por uma camada fina de carbono que conduz eletricidade melhor que qualquer outra substância a temperatura ambiente.

O grafeno é capaz de fazer isso devido à interação entre sua estrutura de rede hexagonal e a estrutura eletrônica de seus átomos. Isso faz com que a resistência ao movimento das partículas seja muito pequeno, o que aumenta sua velocidade de locomoção. É como se a massa dos elétrons fosse menor comparado com a massa do elétron em uma camada de silício.

O problema é que é difícil de produzir grafeno em grandes quantidades. Agora Han Woong Yeom e sua equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul, acreditam poder imitar a condutividade do grafeno em silício.

Yeom e sua equipe adicionou uma camada de chumbo com a espessura de apenas um átomo sobre um bloco de silício. Porque a camada de chumbo é tão fina, o arranjo de seus átomos é influenciado pelos átomos de silício localizados abaixo.

A equipe suspeitava que os elétrons do chumbo iriam, por sua vez, influenciar a estrutura eletrônica do silício na interface.

Para testar essa hipótese, eles dispararam feixes de fótons de alta energia para remover elétrons da interface entre os dois materiais e mediram sua velocidade e energia. Ao subtrair a energia dos fótons, eles calcularam que alguns dos elétrons na interface possuíam uma massa aparente 1/20 da massa normalmente medida em chips de silício. Sugerindo que os elétrons estão se movendo 20 vezes mais rapidamente. Embora isso represente apenas um terço da velocidade dos elétrons em grafeno, não significa que a redução de resistência tenha chegado a seu limite. O uso de diferentes materiais para cobrir o silício, por exemplo, poderiam reduzir ainda mais a resistência e aumentar a velocidade da condução elétrica.

Os chips de silício mais rápidos poderiam rapidamente ultrapassar o grafeno na corrida para obter processadores mais eficientes, pois a infraestrutura de manufatura com esse material já está instalada.

Fonte: Physical Review Letters

O raio do próton pode ter tamanho menor

Cientistas de um grupo internacional de pesquisas afirmara que um constituinte fundamental do universo visível, o próton, é menor do que se pensava anteriormente, segundo estudo publicado na revista científica Nature.

© Paul Scherrer Institut (aparelho laser)

Medições revistas reduziram em 4% o raio da partícula que, embora não pareça muito, especialmente dado o tamanho infinitesimal do próton, em experimentos futuros pode representar um desafio a preceitos fundamentais da eletrodinâmica quântica (QED), a teoria de como a luz e a matéria interagem. Isto significa que o próton seria 0.00000000000003 milímetros menor.

O raio do próton apresentado na pesquisa é da ordem de 0,84 femtômetro. Experimentos mais antigos, no entanto, haviam fixado um valor mais próximo de 0,87. A diferença, embora pareça pequena, fica além das margens de erro estatístico e pode representar a primeira rachadura na couraça da QED, teoria que serviu de base para os cálculos realizados tanto na medição atual quanto nas anteriores.

Inicialmente, a equipe internacional de 32 cientistas, chefiada por Randolf Pohl, do Instituto Max Planck em Garching, Alemanha, só queria confirmar o que já se sabia e não derrubar conceitos.

Por décadas, os físicos de partículas usavam o átomo de hidrogênio como um parâmetro para medir o tamanho dos prótons, que são parte do núcleo atômico. A vantagem do hidrogênio é sua simplicidade incomparável: um elétron circunda um único próton.

Mas, se artigo estiver correto, esta unidade de medida esteve equivocada por uma margem pequena, porém crítica. "Nós não imaginávamos que haveria um abismo entre as medidas conhecidas do próton e as nossas próprias", diz o coautor do estudo, Paul Indelicato, diretor do Laboratório Kastler Brossel na Universidade Pierre e Marie Curie, em Paris.

O novo experimento, que é pelo menos 10 vezes mais preciso do que qualquer outro feito até agora, foi previsto por cientistas 40 anos atrás, mas só desenvolvimentos recentes na tecnologia o tornaram possível. O truque foi recolocar o elétron no átomo do hidrogênio com um múon negativo, uma partícula com a mesma carga elétrica, mas ao mesmo tempo 200 vezes mais pesado e instável.

A massa maior do múon dá ao hidrogênio muônico um tamanho atômico menor e permite uma interação muito maior com o próton. Como resultado, a estrutura do próton pode ser sondada com mais precisão do que usando o hidrogênio normal.

Jeff Flowers, cientista do Laboratório Nacional de Física britânico em Teddington, perto de Londres, disse que o trabalho pode levar as teorias da física de partículas a um novo território.

Se a descoberta for confirmada, será preciso mais do que o acelerador de partículas instalado no Laboratório Europeu de Física Nuclear (Cern), na Suíça, para testar o chamado Modelo Padrão, lista das partículas subatômicas que formam o Universo.

Se as medidas previamente aceitas sobre as quais centenas de cálculos foram feitos estiverem errados ou existir um problema com a própria teoria eletrodinâmica quântica, os físicos têm muito trabalho a fazer.

Agora, os teóricos vão refazer seus cálculos e mais experimentos serão feitos para confirmar ou refutar este estudo. Daqui a dois anos será feito um novo experimento no mesmo equipamento com hélio muônico.

Fonte: Nature