terça-feira, 26 de outubro de 2010

Mistura de luz e matéria

Os físicos Bob Buckley e David Awschalom da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, conseguiram combinar a luz de um laser com os elétrons presos no interior de um cristal de diamante.
mistura de luz e matéria
© Awschalom Group (mistura de luz e matéria)
Os pesquisadores exploraram a capacidade de combinar as coisas que são muito diferentes, que é uma característica incomum do mundo quântico.
Usando os elétrons presos dentro de um único defeito, do tamanho de um átomo, no interior de um cristal de diamante, combinados com luz de um laser de uma cor precisamente definida, os cientistas mostraram que é possível fazer uma mistura de luz e matéria.
Depois de formar essa mistura de matéria e luz, eles foram capazes de fazer medições da luz para determinar o estado quântico dos elétrons.
Mais do que uma curiosidade, o experimento demonstrou que é possível detectar e controlar o frágil estado quântico dos elétrons sem perder as informações.
Este é um passo importante para o uso da física quântica para expandir o poder da computação e da comunicação segura a longas distâncias.
Há alguns anos foi descoberto que esses defeitos do diamante, chamados vacância de nitrogênio, podem ser usados como qubits para computadores quânticos.
Esta pesquisa representa um passo importante nesse rumo por permitir a leitura dos qubits sem destruir a informação.
Ao examinar os elétrons separadamente é possível observar que a configuração eletrônica não foi destruída pela luz. Em vez disso, ela foi modificada, uma demonstração surpreendente de controle dos estados quânticos utilizando a luz.
A preservação dos estados quânticos é um grande obstáculo no campo emergente da computação quântica. Um dos benefícios de informação quântica é que ela nunca pode ser copiada sem deixar rastros, ao contrário das informações transferidas entre os computadores de hoje.
No futuro será o diamante o substituto do sílício?
Fonte: Science

quinta-feira, 14 de outubro de 2010

Criado leitor de elétrons individuais

Um grupo de engenheiros e físicos da Universidade de Nova Gales do Sul e da Universidade de Melbourne, na Austrália, culminando um esforço de 10 anos de pesquisas, criou um dos principais componentes necessários para viabilizar um computador quântico baseado no silício.
leitor de elétrons
© Nature (leitor de elétrons)
Os computadores quânticos prometem aumentos exponenciais na velocidade do processamento usando o spin de elétrons individuais, em vez da avalanche de elétrons consumida em cada bit processado pelos computadores atuais.
Para isso, o computador quântico precisará tanto de uma maneira de mudar o estado do spin (escrevendo o dado), quando de medir esse estado (lendo o dado).
Ao criar o leitor de um único elétron, a equipe dos professores Andrea Morello e André Dzurak tornou possível pela primeira vez a medição do spin de um elétron em um experimento único usando componentes à base de silício.
O dispositivo detecta o estado do spin de um único elétron em átomos individuais de fósforo implantados em um bloco de silício. O estado de spin do elétron controla o fluxo de elétrons em um circuito associado. Medindo o fluxo dos elétrons nesse circuito, na verdade um transístor de um único átomo, é possível ler o spin do elétron.
O uso do silício, em vez de aparatos ópticos ou materiais mais exóticos, torna mais factível a integração do componente em um futuro computador quântico que seja mais simples, escalável e cuja produção em massa seja possível.
Em 2006, Christoph Boehme e seus colegas da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, conseguiram ler o spin de aglomerados contendo 10.000 átomos de fósforo incorporados no silício. Agora, os pesquisadores conseguiram ler o spin de elétrons individuais, a última fronteira nessa "cabeça de leitura" quântica.
Foi observado um tempo de vida do spin de 6 segundos num campo magnético de 1,5 T (tesla). A seguir a tabela mostra a taxa de relaxão de spin em função do campo magnético.
taxa de relaxação em função do campo magnético
© Nature (taxa de relaxação em função do campo magnético)
Agora que a equipe criou um leitor de um único elétron, eles estão trabalhando para concluir rapidamente uma forma de "escrever" o spin de um único elétron, e combinar os dois. A seguir, eles vão combinar pares desses dois componentes para criar uma porta lógica de 2 bits, a unidade básica de processamento de um computador quântico.
Fonte: Nature

terça-feira, 5 de outubro de 2010

Estudo sobre o grafeno gera Nobel de Física

O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido a Andre Geim e Konstantin Novoselov, por terem sido os primeiros cientistas a identificar, isolar e caracterizar o primeiro cristal bidimensional já descoberto, o grafeno, composto por uma única camada de átomos de carbono.
grafeno
© NobelPrize.org (ilustração de uma tela de grafeno)
O trabalho de Novoselov e Geim, com a descrição detalhada do grafeno, foi publicado na revista Science em 2004, o que faz do prêmio deste ano um dos reconhecimentos mais rápidos na história do Nobel. Veja o artigo original: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.
Andre Geim Konstantin Novoselov
© NobelPrize.org (a esquerda: A. Geim e a direita: K. Novoselov)
Andre Geim nasceu 1958 em Sochi, na Rússia, e naturalizado holandês, fez doutorado em Ciências Físicas em 1987 na Academia de Ciências de Chernogolovka e atualmente atua na Universidade de Manchester (Reino Unido). Konstantin Novoselov nasceu em 1974 em Nizhny Tagil, na Rússia, tem dupla nacionalidade britânico-russa, foi professor na Universidade de Nijmegen (Holanda) e é catedrático na Universidade de Manchester.
Durante o anúncio do prêmio, os representantes do comitê Nobel de Física mencionaram várias promessas tecnológicas ligadas ao grafeno, um material que se parece com uma tela de arame, mas com um único átomo de espessura.
As possíveis aplicações são: o sequenciamento de DNA, a criação de novos tipos de célula de energia solar, a detecção de moléculas, a criação de aparelhos eletrônicos dobráveis e flexíveis.
O grafeno é um bom condutor de eletricidade e também é transparente, o que faz dele um forte candidato para o uso em tecnologia eletrônica, por exemplo em telas sensíveis ao toque e na produção de circuitos integrados para utilização em informática e telecomunicações.
O físico Paolo Radaelli, da Universidade de Oxford, lembrou a grande simplicidade da técnica usada por Geim and Novoselov, que se valeram de fita adesiva para isolar camadas de grafeno de uma massa de grafite. "Nesta era de complexidade, com máquinas como o supercolisor, eles conseguiram um Nobel usando fita Scotch", destacou.
Os laureados receberão um diploma, uma medalha de ouro e dividirão um prêmio de 10 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhão).
Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Magnetismo da luz é medido diretamente

A luz é uma onda contendo tanto campos elétricos quanto magnéticos, mas quando essas ondas atingem a matéria é quase impossível detectar diretamente o efeito muito mais fraco do componente magnético.
onda de luz estacionária
© D. van Oosten/AMOLF (onda de luz estacionária)
A imagem mostra uma onda de luz estacionária que é gerada no interior de uma cavidade fotônica, com picos de campo magnético (azul) e elétrico (vermelho).
Agora, dois grupos de pesquisa independentes demonstraram que uma minúscula sonda metálica interage fortemente com o campo magnético de ondas de luz presas em uma espécie de "caixa" semicondutora, permitindo sua medição direta pela primeira vez.
A técnica poderá ser usada para medir as propriedades magnéticas de alta frequência de objetos em escala nanométrica, ou para mapear o campo magnético no interior dos chamados metamateriais, que podem controlar a luz de maneiras inusitadas.
Quando a luz interage com a matéria, o resultado dominante é frequentemente uma vibração dos elétrons para cima e para baixo em resposta ao campo elétrico. Essa interação é aproximadamente 10.000 vezes maior do que a ação girante do campo magnético de uma onda de luz.
A situação é diferente com os metamateriais, que contêm componentes minúsculos, como anéis metálicos, que são frequentemente ajustados para apresentar uma resposta otimizada aos campos magnéticos. Graças a essa sensibilidade, a luz que viaja através de um metamaterial pode se curvar de maneiras inusitadas, viabilizando dispositivos como lentes perfeitas e mantos da invisibilidade.
Anteriormente, os pesquisadores podiam medir a interação magnética entre a luz e alguma forma de matéria apenas subtraindo a interação elétrica dominante a partir do efeito total da luz.
Agora, o efeito do campo magnético foi isolado diretamente, através de um tipo de dispositivo bidimensional chamado microcavidade de cristal fotônico.
O cristal é fabricado perfurando-se pequenos orifícios ordenados em uma fina tira de material semicondutor, criando uma espécie de microcartão perfurado. A cavidade é feita deixando uma pequena região sem perfurações e fazendo a rede de buracos ao seu redor funcionar como paredes espelhadas que mantêm a luz infravermelha circulando ao redor da cavidade como se fossem ondas estacionárias.
Nos últimos anos, pesquisadores vêm caracterizando a luz aprisionada em cavidades fotônicas colocando a ponta afilada de uma fibra óptica a poucos nanômetros da superfície. Esta sonda perturba o campo elétrico e muda a luz aprisionada para comprimentos de onda mais longos.
Os novos experimentos usaram uma fibra óptica com a ponta recoberta por uma fina camada de alumínio, exceto sua extremidade final. Esse "tubo" de metal funciona como um anel de algumas centenas de nanômetros de diâmetro.
As duas equipes ficaram inicialmente surpresas ao descobrir que esses anéis metálicos causam um deslocamento para o azul da luz aprisionada.
Mais tarde eles perceberam que, segundo a eletrodinâmica clássica, o campo magnético oscilante da luz induz uma corrente no anel metálico, que por sua vez cria um campo magnético secundário que aponta na direção oposta à da direção do campo original.
Este campo secundário anula uma parte do campo magnético no interior da cavidade e, assim, reduz o volume disponível para a luz aprisionada. Menos volume significa comprimentos de onda menores, mais azuis. A variação para o azul foi de cerca de 0,03 por cento. Seu grupo combinou esse resultado com uma estimativa para o campo magnético máximo da cavidade para obter as propriedades magnéticas do seu nanoanel metálico.
Assim, os autores sugerem que esse método poderia ser usado para medir a resposta magnética de outros pequenos objetos, como os nanotubos de carbono ou mesmo átomos individuais. Eles também realizaram recentemente uma variante deste experimento, no qual usaram uma ponta com um anel aberto para estudar o campo magnético da luz em propagação, não aprisionada.
O outro experimento foi similar, exceto que foi recolhido diferentes informações da interação magnética. Em vez de medir as propriedades do anel, foi movimentada a ponta óptica revestida de metal sobre a superfície do cristal fotônico para construir uma imagem mostrando os padrões espaciais do campo magnético.
As experiências são comparáveis ao trabalho de Heinrich Hertz, no final do século 19, que usou uma antena em formato de anel para mapear os campos magnéticos das ondas de rádio.
Foi apenas em 2009 que os cientistas construíram pela primeira vez um sensor para visualizar o magnetismo da luz.
Estas novas técnicas de sondagem provarão ser muito úteis na fabricação de novos dispositivos ópticos.
Fonte: Physical Review Focus

segunda-feira, 4 de outubro de 2010

Estrela de nêutrons pode acordar o vácuo quântico

Embora o vazio espacial esteja repleto de campos quânticos, o efeito destes é geralmente muito sutil. Mas um grupo de físicos brasileiros demonstrou que, sob determinadas condições, como durante a formação de uma estrela de nêutrons, esses campos podem crescer a ponto de ofuscar qualquer matéria existente nas redondezas.
estrela de nêutrons
© NASA (estrela de nêutrons)
O espaço vazio é preenchido com uma espécie de fundo quântico fantasmagórico, formado por ondas de todas as frequências possíveis, incluindo não apenas as ondas do eletromagnetismo e das outras forças, mas também ondas representando partículas, como os elétrons.
A quantidade de energia nestas ondas é pequena, mas nunca é igual a zero, como uma corda, que sempre apresenta alguma vibração, nunca estando completamente parada e esticada.
William Lima e Daniel Vanzella, da USP de São Carlos, resolveram estudar como a gravidade afeta essa energia contida no vácuo quântico.
Como não existe uma teoria quântica completa da gravidade, eles usaram uma abordagem já bem aceita, chamada teoria quântica de campos em espaçotempos curvos (QFTCS).
Esta técnica utiliza a mecânica quântica padrão para descrever todos os campos, exceto a gravidade, e posteriormente inclui os efeitos gravitacionais de um modo diferente.
Segundo a relatividade geral, a força gravitacional surge quando o espaçotempo comum é curvado pela presença de massa e energia. Assim, a QFTCS usa esse espaçotempo relativista, em vez do espaço e tempo comuns, para os cálculos quânticos.
Os físicos brasileiros não analisaram todos os campos possíveis, apenas o tipo mais simples, chamado de campo escalar. Este campo é genérico, que poderia ser uma versão simplificada do campo eletromagnético ou poderia representar uma partícula ainda desconhecida.
Seguindo a prática padrão, eles deixaram sem especificação um parâmetro-chave deste campo: o parâmetro de "acoplamento", que quantifica a atração ou a repulsão do campo às regiões altamente curvadas do espaçotempo.
Os pesquisadores analisaram a energia do vácuo para um espaçotempo que começa com uma distribuição uniforme de massa no passado distante (espaçotempo plano) e depois evolui para concentrações fixas de massa (aglomerados) em um futuro distante.
A energia do vácuo resultante depende da massa e do tamanho dos aglomerados de matéria, e do parâmetro de acoplamento.
O resultado surpreendente foi que, para algumas combinações de valores, mesmo depois que a distribuição da massa pára de mudar, a energia do vácuo continua a crescer exponencialmente ao longo do tempo nas cercanias dos aglomerados.
Eventualmente, a densidade da energia do vácuo nessas regiões ultrapassa a densidade de energia da matéria ordinária, de forma que o vazio começa a distorcer o espaçotempo ainda mais do que a matéria é capaz.
Para ver se esse efeito importa na prática, Lima e Vanzella juntaram-se ao grupo de George Matsas, da UNESP (Universidade Estadual Paulista).
O resultado está neste artigo que acaba de ser publicado, que analisa um modelo de espaçotempo altamente curvado que emerge durante a formação de uma estrela de nêutrons ultra densa.
Para alguns valores razoáveis de massa e tamanho da estrela, eles preveem que, em alguns milissegundos, a energia do vácuo vai crescer para alguns valores do parâmetro de acoplamento.
Neste ponto, a energia do vácuo começa a induzir outros efeitos gravitacionais, que eles ainda não calcularam, de forma que ainda não sabem como a estrela seria afetada.
Se o prosseguimento da pesquisa mostrar que tal estrela de nêutrons fique instável, a existência de estrelas de nêutrons estáveis de tamanhos específicos pode descartar a existência dos campos do tipo modelado por eles ou confirmar sua existência. Ou seja, a teoria poderia ser testada pela observação e medição das massas de estrelas de nêutrons.
Vanzella adverte que o trabalho até agora não analisou como a crescente energia do vácuo modifica a curvatura do espaçotempo, nem quaisquer efeitos resultantes sobre a estrela de nêutrons.
"Até este momento eles não calcularam a solução numérica das equações de Einstein com a reação retornando sobre o campo, por isso ninguém sabe aonde isso vai dar," concorda Leonard Parker, da Universidade de Wisconsin, comentando o trabalho. "É um convite para mais investigação."
Fonte: Physical Review Letters