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.

© 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.

© 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.

© 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

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.

© 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

Objetos movidos por 1,5 m apenas com luz

Cientistas desenvolveram método para mover apenas com o uso de luz partículas por distâncias nunca conseguidas anteriormente. Foi usado um raio laser especialmente criado para a pesquisa.

© ANU (raio laser movendo pequena partícula)

Equipe do Centro de Física a Laser, da Universidade Nacional da Austrália, conseguiu mover partículas extremamente pequenas por 1,5 m usando apenas a força do raio laser. O tamanho das microesferas variava entre 60 e 100 micrometros.

Por 40 anos, cientistas usaram radiação de luz para mover e manipular pequenos objetos. Até agora, os movimentos eram restritos a pequenas escalas, por não mais que milhares de micrometros - e a maioria em líquidos. Manipulação óptica de partículas por grandes distâncias podem ter várias aplicações, como permitir o transporte de contêineres com substâncias perigosas sem a necessidade de toque.

O laser não funciona no vácuo, então seu uso é de grande importância na Terra, como na montagem de micro máquinas e componentes eletrônicos.

Fonte: Phys.Org

Pista para a gravitação quântica

A medição direta de efeitos de gravitação quântica é praticamente impossível. Os motivos são que eles têm origem em locais inacessíveis ao homem, como em buracos negros, e seus efeitos são extremamente sutis.

© NASA (ilustração gravitação quântica)

Mas um grupo de físicos brasileiros desenvolveu um meio de se estudar indiretamente um desses fenômenos, a flutuação da velocidade da luz, por meio de experimentos de propagação de ondas acústicas em fluídos com aleatoriedade, como em coloides, líquidos heterogênios que contêm partículas ou moléculas de diferentes tamanhos em suspensão.

O trabalho foi realizado por Gastão Krein, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Nami Svaiter, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), e Gabriel Menezes, pós-doutorando da Unesp.

A ideia surgiu de que a propagação do som em fluidos coloides poderia apresentar efeitos simililares aos da luz em ambientes nos quais a gravitação quântica seria relevante.

As flutuações em um fluido podem ser clássicas ou quânticas. A pesquisa demonstra a validade de se usar microvibrações em coloides como plataforma para estudo da gravitação quântica. Os dois fenômenos são descritos por equações matemáticas similares.

Se estudos com coloides são comuns e conhecidos, o mesmo não se pode dizer do segundo fenômeno. Um dos feitos da gravidade quântica é que a velocidade da luz não é uma constante, como ensina a física clássica, mas flutua de um ponto a outro devido aos efeitos quânticos. Estima-se que esse tipo de gravidade esteja presente em buracos negros e tenha vigorado durante o Big Bang.

Outros experimentos com fluidos já haviam sido propostos para estudar efeitos de gravidade quântica, mas o brasileiro é o primeiro a contemplar o estudo das flutuações da velocidade da luz através das flutuações da velocidade de propagação de ondas acústicas em fluidos.

Os pesquisadores pretendem investigar, por meio de modelos com fluidos, o equivalente a um buraco negro e como vibrações acústicas quânticas são criadas e destruídas próximos a essas formações no espaço.

Os físicos buscam compreender melhor o fenômeno conhecido como “radiação Hawking”, prevista em 1973 pelo físico inglês Stephen Hawking. Segundo Hawking, os buracos negros encolhem com a perda de energia por meio dessa radiação.

“Com um fluido, podemos controlar parâmetros do experimento, como a densidade e a concentração das partículas em suspensão, e, com isso, aprender como muda a propagação do som de maneira controlável no laboratório. Isso permitirá construir correlações dos resultados com o que ocorre na gravitação quântica”, disse Krein.

Fonte: Physical Review Letters e Agência FAPESP

Medidos efeitos da Teoria da Relatividade em pequenas alturas

O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia do Estados Unidos (NIST) conseguiu demonstrar que a teoria mais famosa de Albert Einsten é mensurável mesmo a pequenas alturas, e que o tempo passa mais rápido para corpos a alguma distância do chão do que para corpos encostados no solo.

© Science (efeitos relativísticos próximo do solo)

A Teoria da Relatividade afirma que o tempo passa mais depressa em maiores elevações em decorrência da diminuição da força gravitacional. É um efeito muito pequeno, da ordem de bilhonésimos de segundo, mas existe.

A grande sacada dos cientistas do NIST foi conseguir medir esta diferença. Eles utilizaram dois relógios atômicos que utilizam vibrações de um único íon de alumínio entre dois níveis de energia para calcular o tempo.

Os cientistas mediram a diferença de tempo decorrido entre dois relógios atômicos de alumínio separados por cerca de 33 cm de altura. Observaram também que a diferença de tempo é irrelevante para a escala humana, cerca de 90 bilionésimos de segundo em um período de 79 anos. Em termos práticos, isso quer dizer que a cabeça de uma pessoa, a quase dois metros do chão, envelhece mais depressa que seus pés.

Além disso, a Relatividade de Einstein ainda foi comprovada em outros aspectos, como na passagem mais lenta do tempo a maiores velocidades. O experimento mediu o chamado "Paradoxo dos Gêmeos" também por meio dos relógios atômicos. O paradoxo afirma que se dois gêmeos estiverem viajando em foguetes, o que estiver voando a uma velocidade maior voltará mais novo.

A equipe acredita que os experimentos podem um dia ser úteis para a geodésia, ciência que estuda as variações do campo gravitacional terrestre, com aplicações em geofísica, hidrologia e testes de física experimental no espaço.

Fonte: Science

Aniquilação de matéria e antimatéria pode criar laser de raios gama

O positrônio é um átomo exótico, de vida extremamente curta, formado pela união de um elétron com sua antipartícula, o pósitron, sem um núcleo.

© UC Riverside (câmara de alto vácuo para criação de positrônio)

Em 2005, físicos da Universidade da Califórnia criaram uma molécula de positrônio, uma substância completamente nova, também chamada de matéria artificial, porque ela essencialmente é formada por uma junção de matéria e antimatéria. O feito foi confirmado em 2007.

Agora, a mesma equipe conseguiu isolar pela primeira vez uma amostra de átomos de positrônio polarizados pelo spin. O spin é uma propriedade fundamental e intrínseca de um elétron, e se refere ao momento angular do elétron. Átomos polarizados pelo spin são átomos que estão todos no mesmo estado de spin.

Uma grande amostra de átomos de positrônio spin-polarizados (com mesmo estado de spin) é necessária para criar uma outra forma especial da matéria, chamada condensado de Bose-Einstein, onde bilhões de átomos entram em sintonia e se comportam como se fossem um gigantesco átomo individual.

Para obter este resultado a densidade dos átomos de positrônio foi elevada, propiciando aniquilamento parcial quando interagem entre si.

Os átomos de positrônio podem ser de dois tipos, quanto ao spin: up e down. Os átomos de positrônio só são aniquilados quando um tipo up se encontra com um tipo down. Dois átomos com o mesmo spin não se afetam.

Na colisão de matéria e antimatéria é gerado um disparo de raios gama. Esse gerador de raios gama pode ser a fonte de radiação necessária para criar um laser de raios gama e para produzir energia por fusão nuclear.

A eventual produção de um condensado de positrônio possibilitará compreender por que o universo é feito de matéria, e não de antimatéria ou simplesmente energia pura, além de auxiliar na mensuração da interação gravitacional da matéria com a antimatéria.

Fonte: Physical Review Letters

Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo. O grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.

© Julian Berengut/UNSW (constante de estrutura fina)

O artigo propõe que uma das supostas constantes fundamentais da natureza talvez não seja assim tão constante.

Em vez disso, este "número mágico", conhecido como constante de estrutura fina, ou constante alfa, parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética, ou seja, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Há alguns anos, físicos propuseram que alfa poderia ter variado ao longo do tempo,  numa escala de 12 bilhões de anos, mas agora os físicos propõem que ela varia ao longo do espaço.

Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar.

As implicações para o nosso entendimento atual da ciência são profundas. Se as leis da física passam a ser apenas localizadas, pode ser que, embora a nossa parte observável do Universo favorece a existência da vida e dos seres humanos, outras regiões mais distantes podem ter diferentes leis que se oponham à formação da vida, pelo menos tal como a conhecemos.

As conclusões dos pesquisadores foram baseadas em medições realizadas com o Very Large Telescope (VLT), no Chile, e com os maiores telescópios ópticos do mundo, no Observatório Keck, no Havaí.

"Os telescópios Keck e VLT estão em hemisférios diferentes, eles olham para direções diferentes ao longo do Universo. Quando olhamos para o norte com o Keck, vemos em média um alfa menor nas galáxias distantes, mas quando olhamos para o sul com o VLT, vemos um alfa maior. A variação observada é muito pequena, não mais do que 1 parte em 100.000. Mas é possível que variações muito maiores possam ocorrer fora do nosso horizonte observável", explica o Dr. Julian King, coautor do trabalho.

"Depois de medir a constante alfa em cerca de 300 galáxias distantes, surgiu uma consistência: este número mágico, que nos dá a força do eletromagnetismo, não é o mesmo em todos os lugares, como ele é aqui na Terra, e parece variar continuamente ao longo de um eixo preferencial através do universo," explica o professor John Webb, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália.

© John Webb/UNSW (eixo magnético universal)

Este talvez seja o elemento mais intrigante da proposta, o fato de a variação ter sido detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo; é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra.

De forma bastante interessante, esse eixo magnético universal coincide com medições anteriores que deram origem à teoria do chamado Fluxo Escuro, que indica que uma parte da matéria do nosso Universo estaria vazando por uma espécie de "ralo cósmico", sugada por alguma estrutura de um outro universo.

Se os dados se confirmarem, e não tiverem outra explicação menos revolucionária, um achado como esse poderia obrigar os cientistas a repensarem totalmente sua compreensão das leis da Natureza.

"A constante de estrutura fina, e outras constantes fundamentais, são absolutamente centrais para a nossa teoria atual da Física. Se elas realmente variam vamos precisar de uma teoria melhor, mais profunda," diz o Dr. Michael Murphy, coautor do trabalho.

A variação das leis da física, seja no espaço ou no tempo, sempre ocupou a mente dos cientistas. Pelas teorias atuais, uma pequena variação de alfa, por exemplo, significaria que as estrelas não produziriam carbono, a base da química que forma a vida na Terra.

É por isso que os cientistas afirmam que são as características "especiais" deste nosso ponto no Universo que criam as condições para a vida como a conhecemos, características estas que poderiam não existir em outros pontos.

"Embora uma 'constante variável' possa abalar a nossa compreensão do mundo que nos rodeia, afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. O que estamos descobrindo é extraordinário, não há dúvida sobre isso," diz Murphy.

Será que uma variação de 1 em 100.000 é assim tão extraordinária para corroborar esta hipótese teórica?

Fonte: Physical Review Letters (artigo submetido)

Elétrons são flagrados com massa negativa

Físicos do Instituto Max Born, em Berlim, descobriram que elétrons no interior de cristais semicondutores têm uma massa inercial negativa quando são fortemente acelerados em um campo elétrico.

© Uwe Bellhäuser (identificação da massa negativa do elétron)

No século 17, Isaac Newton descobriu que uma força faz com que um corpo acelere. A massa inercial do corpo é determinada pela relação entre força e aceleração, ou seja: dada uma mesma força, um corpo mais leve é acelerado mais fortemente do que um corpo pesado.

Assim, partículas elementares, como os elétrons livres, que têm uma massa de apenas 9,109×10^-31 kg, podem ser acelerados em campos elétricos a velocidades extremamente altas.

Se o campo elétrico for pequeno, o movimento dos elétrons no interior de cristais é regido pelas mesmas leis. Neste regime, a massa de um elétron no cristal é apenas uma pequena parte da massa de um elétron livre.

O que os pesquisadores demonstraram é que os elétrons nos cristais, quando submetidos a campos elétricos extremamente elevados, apresentam um comportamento completamente diferente.

Segundo os experimentos, a massa dos elétrons se torna até mesmo negativa!

Para obter esse resultado, eles aceleraram os elétrons até uma velocidade de 4 milhões de quilômetros por hora em um período e tempo extremamente curto de 100 femtossegundos (=0,000 000 000 000 1 segundo).

Como a massa de um corpo é positiva, a aceleração deve se dar sempre no mesmo sentido da força aplicada sobre ele.

Contudo, logo depois de ser acelerado, o elétron pára e então, inesperadamente, move-se para trás. Isto significa que a aceleração está no sentido oposto à força, o que só pode ser explicado, segundo os físicos, por uma massa inercial negativa do elétron.

Apesar de estranhos, os resultados estão de acordo com os cálculos feitos pelo Prêmio Nobel de Física Felix Bloch, mais de 80 anos atrás.

Segundo os físicos, a verificação experimental do fenômeno abre caminho para um novo regime de transporte de cargas elétricas, com grande impacto nos futuros dispositivos microeletrônicos.

As frequências observadas estão na faixa dos terahertz (1 THz = 1000 GHz = 10¹² Hz), cerca de 1000 vezes superior à taxa de clock dos computadores mais modernos.

Fonte: Physical Review Letters

Teoria sobre moléculas que piscam

O físico Boldizsár Jankó e seus colegas da Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos, finalmente descobriram a fonte de um dos grandes mistérios da físico-química: moléculas que cintilam.

© Boldizsár Jankó (pontos quânticos e fluorescência)

Há mais de um século, o físico Neils Bohr, um dos pais da mecânica quântica, previu os chamados saltos quânticos. Sua teoria diz que os elétrons não se moviam suavemente para cima e para baixo em relação ao núcleo do átomo. Em vez disso, eles ocupariam órbitas bem determinadas, e só se movimentariam entre elas dando saltos quânticos, eventualmente emitindo luz quando o salto quântico os levasse para órbitas de menor energia.

Apesar dessa ideia ter sido altamente controversa nos tempo de Bohr, ela passou a ser aceita pelos físicos e foi finalmente observada experimentalmente em 1980. Mais recentemente, com o desenvolvimento de técnicas de imageamento capazes de filmar moléculas, foi possível observar saltos semelhantes em moléculas individuais.

Durante os experimentos, estes saltos quânticos puderam ser vistos como interrupções discretas na emissão de luz contínua de algumas moléculas, revelando um fenômeno que passou a ser conhecido como intermitência da fluorescência.

No entanto, embora alguns casos dos pisca-piscas moleculares possam ser diretamente atribuídos aos saltos quânticos originais de Bohr, há um número muito maior de casos onde a intermitência da fluorescência não segue as previsões da teoria.

E são casos de grande importância não apenas para a ciência, mas também para a tecnologia: proteínas fluorescentes, largamente utilizadas em biomedicina, moléculas captadoras de luz, importantes tanto para a fotossíntese quanto para as células solares, e, mais recentemente, estruturas inorgânicas criadas pela nanotecnologia, são alguns exemplos.

Como o fenômeno das moléculas piscantes não se enquadrava na teoria da mecânica quântica, os físicos consideraram por muito tempo que o fato de as moléculas "ligarem" e "desligarem" sua fluorescência eram fenômenos isolados, não relacionados um com o outro.

Até que, em 2007, o físico argentino Fernando Stefani, da Universidade de Buenos Aires, publicou um trabalho no qual ele demonstrava indícios de uma estreita correlação entre o ligar e o desligar dessas estrelas moleculares. Mas os pesquisadores continuaram sem um modelo teórico capaz de explicar essas correlações.

Agora, Jankó e seu grupo finalmente desenvolveram um modelo que explica os fenômenos de intermitência da fluorescência e que confirma o que Stefani observou experimentalmente. Ou seja, o acender e o apagar das moléculas fluorescentes são mesmo oriundos de um mesmo fenômeno. Se o processo de intermitência das moléculas puder ser controlado, então a emissão de luz dos pontos quânticos também poderá.

© Boldizsár Jankó (nanofios semicondutores e fluorescência)

Esses fundamentos científicos poderão ser a base para a aplicação nos nanofios, usados para gerar energia a partir do movimento; para a geração de imagens precisas de células cancerígenas individuais e de imagens em tempo real de uma infecção viral, como o HIV, dentro de uma célula; e também de uma nova geração de "telas quânticas" superbrilhantes para computadores, TVs, telefones celulares e outros aparelhos eletrônicos; e mesmo de novas técnicas de iluminação ambiente para residências e escritórios.

Fonte: Nano Letters

Laser poderá criar matéria do vácuo

O princípio de incerteza de Heisenberg, um dos pilares da mecânica quântica, implica que nenhum espaço pode estar inteiramente vazio. De fato, e para desespero final dos materialistas, a ciência já demonstrou que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico.

 

© ELI (ilustração do Extreme Light Infrastructure)

É desse vácuo quântico que nunca é vazio que emerge a matéria. Flutuações aleatórias do vácuo quântico geram constantemente uma multiplicidade de partículas, as chamadas partículas virtuais, entre elas elétrons e pósitrons.

Elétrons são bem conhecidos, deram nome à eletrônica. Os pósitrons também já estão sendo úteis na maioria dos laboratórios clínicos e hospitais, nos famosos exames de tomografia por emissão de pósitrons (PET-Scan).

Os pósitrons são partículas de antimatéria, mais especificamente, são antielétrons. Como elétrons e pósitrons surgem aleatoriamente do vácuo quântico, eles se encontram e se aniquilam quase com a mesma rapidez com que surgem. E esse equilíbrio de matéria e antimatéria garante que não fique jorrando matéria do nada o tempo todo.

O que os físicos querem fazer agora é tornar reais essas partículas virtuais, fazê-las romper o limiar de sua vida efêmera e trazê-las à existência real.

A possibilidade de que isso aconteça foi prevista por Fritz Sauter, em 1931. Segundo ele, um campo elétrico forte o suficiente pode transformar as partículas virtuais em partículas reais de tal forma que possam ser detectadas.

Alexander Fedotov e seus colegas da Rússia, França e Alemanha, acreditam que o experimento, finalmente, começará ser viabilizado por volta de 2015, quando será inaugurada a primeira etapa do Extreme Light Infrastructure (ELI). A seguir o gráfico mostra a intensidade em W/cm² nos últimos 50 anos.

© ELI (intensidade do ELI)

O ELI, um projeto conjunto de 13 países europeus, será o laser de maior potência já construído, cerca de seis vezes mais forte do que os mais fortes atualmente. Ele deverá gerar pulsos ultra curtos de radiação de alta energia, cerca de 100 GeV, suficientes para fazer com que partículas acelerem até próximo da velocidade da luz.

Fedotov e seus colegas acreditam que o ELI será suficiente para gerar 10²⁶ Watts por centímetro quadrado. Segundo seus cálculos, isso será o bastante para dar vida às partículas virtuais.

Em 1997, uma equipe do acelerador SLAC, da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, conseguiu criar pares de elétrons-pósitrons. Mas a potência do ELI poderá permitir uma reação em cadeia, criando os pares aos milhões.

© ELI (esquema da produção de pares elétrons-pósitrons)

Segundo Fedotov e seus colegas, o primeiro par de elétron-pósitron criado será acelerado pelo laser, gerando luz. Estes fótons, juntamente com os demais fótons do laser, vão criar mais pares, que gerarão mais fótons para se juntar ao laser, e assim por diante, fazendo finalmente a matéria jorrar do nada. Ou melhor, jorrar do vácuo quântico.

Enquanto esperam até que os engenheiros façam o seu trabalho, o físicos continuarão procurando pela quarta propriedade do elétron, que também poderá lançar alguns fótons sobre o paradeiro de toda a antimatéria que teria sido criada no Big Bang. Ou sonhando com o super colisor de partículas linear, que deverá ser o sucessor do LHC, e que promete não apenas responder a algumas dessas questões imateriais, como lançar outras exponencialmente mais impensáveis.

Fonte: Physical Review Letters

Um buraco quântico deixado por elétron

Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, já bateram o recorde mundial de menor tempo já medido e recentemente desbancaram uma teoria de um século, mostrando que o efeito fotoelétrico tem um retardamento temporal devido a uma interação entre os elétrons.

© Nature (espectro de absorção dos íons de criptônio)

Agora, foi observado pela primeira vez o que ocorre dentro de um "buraco quântico", o "vazio" deixado no átomo quando um único elétron de sua camada de valência é ejetado.

Os movimentos dos elétrons em suas órbitas atômicas duram apenas alguns poucos attossegundos (um bilionésimo de um bilionésimo de segundos). Mas o que exatamente essas partículas elementares fazem na "atmosfera dos átomos" é algo ainda em grande parte desconhecido.

O que é bem claro é que não se pode determinar o momento e a localização de uma partícula quântica, como o elétron, ao mesmo tempo. Por isto, o movimento dessas partículas elementares é descrito em termos de uma nuvem de elétrons, chamada "densidade probabilística das partículas".

E esta nuvem de elétrons está sujeita a uma rápida pulsação quando sofre uma excitação, com a incidência de um fóton.

O que os cientistas fizeram agora foi observar o movimento da nuvem de elétrons quando um dos elétrons no átomo é ejetado por um pulso de luz.

O experimento é um prosseguimento do estudo anterior, que determinou que um elétron excitado por um fóton, o princípio de funcionamento das células solares, demora 20 attossegundos para deixar o átomo.

Desta vez, a equipe do Dr. Ferenc Krausz usou pulsos de luz de 100 attossegundos para observar o que acontece no local exato de um átomo do gás nobre criptônio onde um elétron é expulso de sua órbita por um pulso de luz.

Quando o pulso de laser arranca um elétron, o átomo se torna um íon, com carga positiva. No momento em que o elétron deixa o átomo, cria-se uma lacuna, com carga positiva, dentro do íon. Do ponto de vista da mecânica quântica, esse espaço livre continua a pulsar dentro do átomo.

© Nature (movimento da lacuna positiva deixada pelo elétron)

Os que os físicos conseguiram fazer agora foi observar diretamente esta pulsação, criando uma fotografia virtual do buraco quântico.

O experimento demonstrou que a posição da lacuna dentro do íon, ou seja, a localização da carga positiva, move-se para trás e para frente, variando entre uma forma alongada e uma forma compacta, em ciclos com uma duração de 6 femtossegundos (milésima parte do attossegundo).

"Nossas experiências nos deram uma visão única em tempo real desse microcosmo," comenta o Dr. Krausz. "Usando flashes de luz de attossegundos, nós registramos pela primeira vez processos da mecânica quântica dentro de um átomo ionizado."

O feito ajuda a compreender a dinâmica das partículas elementares fora do núcleo atômico, que é mais extensamente estudado em experimentos como o LHC.

Em sistemas mais complexos, em nível molecular, este tipo de dinâmica é o principal responsável pela sequência dos processos químicos e biológicos.

Um entendimento mais preciso dessa dinâmica poderá abrir as portas para o entendimento de fenômenos que vão da origem microscópica de doenças atualmente incuráveis até a aceleração gradual da velocidade de processamento dos computadores.

Fonte: Nature

Fenômenos quânticos em sistemas mecânicos

Um acoplamento de espelhos que emitem fótons através da luz e um ressonador micromecânico que é forte o bastante para transferir efeitos quânticos para o mundo macroscópico pode caracterizar esta interação.

© Nature (oscilação optomecânica)

A física quântica é cheia de paradoxos e comportamentos bizarros, como gatos em caixas que estão vivos e mortos ao mesmo tempo e partículas que interagem instantaneamente mesmo quando uma delas foi para o outro lado da galáxia.

O entrelaçamento de partículas e a superposição quântica são fenômenos bem conhecidos e explorados pelos pesquisadores que estão tentando construir computadores quânticos. Uma superposição quântica é um estado no qual uma partícula, como um fóton ou um átomo, existe simultaneamente em dois locais, somente quando se tenta detectar sua posição, sua função de onda colapsa e uma das posições é estabelecida.

O entrelaçamento quântico, algumas vezes chamado de emaranhamento, foi o que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", ele permite que as partículas compartilhem informações instantaneamente, mesmo estando fisicamente separadas por grandes distâncias.

E será que essas leis da física quântica podem de alguma forma serem aplicadas aos objetos em escala humana, ou pelo menos a objetos que possam ser vistos a olho nu? Esta é uma questão que os próprios físicos têm se perguntado desde o início da formulação da teoria.

© Nature (interação quântica)

O estudo do comportamento quântico em pequenos sistemas mecânicos tem como prioridade fundamental a eliminação de interferências nas interações entre o sistema e o seu ambiente. As vibrações térmicas aleatórias do ambiente são facilmente transferidas para o objeto mecânico, destruindo suas frágeis propriedades quânticas.

Para resolver este problema, pesquisadores do mundo todo começaram a usar dispositivos criogênicos, onde o ambiente é resfriado a uma temperatura muito baixa, reduzindo a magnitude dessas vibrações aleatórias, e a isolar os sistemas quânticos em armadilhas magnéticas para que o sistema não tenha nenhum contato direto com o ambiente externo.

Recentemente, as tecnologias de micro e nanofabricação estão permitindo que os cientistas façam experimentos de acoplamento entre o mundo quântico e mundo mais trivial.

As pesquisas começaram com pequenos objetos que oscilam mecanicamente, chamados ressonadores, que se comportam como se fossem pêndulos. Como existem ressonadores com tamanhos que vão desde vários centímetros até algumas poucas centenas de nanômetros, eles são os maiores objetos em que se pode testar a teoria quântica.

O objetivo das pesquisas eram transferir as propriedades de um sistema quântico elementar constituído de um átomo, um elétron ou um fóton para o objeto mecânico macroscópico. Para isso, são necessárias duas condições: primeiro, o ressonador mecânico deve ser resfriado até próximo do zero absoluto; segundo, a força entre o ressonador mecânico e o átomo, elétron ou fóton deve ser forte o suficiente para superar o decaimento natural das propriedades quânticas, tecnicamente chamado decoerência.

Para gerar o acoplamento forte necessário é utilizado um princípio bem conhecido na óptica quântica: um ressonador óptico. Como a reflexão de um único fóton através de um espelho não gera a força suficiente para acionar o ressonador mecânico, os fótons são injetados entre dois espelhos paralelos, onde ficam refletindo entre um e outro até adquirirem energia suficiente para escapar através de um dos espelhos, que não é um refletor perfeito.

Com o número suficiente de fótons, capazes de superar a tendência natural à decoerência, a troca de energia entre a luz e o oscilador mecânico acontece mais rapidamente do que o tempo que os fótons precisam para sair da armadilha óptica formada pelos dois espelhos; com isso, o movimento da luz e do ressonador mecânico entram em sintonia, ficando acoplados.

Os efeitos do mundo quântico parecem também vazar para o mundo macro, porque a oscilação não é nem puramente mecânica e nem puramente óptica, é um híbrido entre as duas, uma oscilação optomecânica.

Com aplicações deste tipo é possível testar até que ponto as leis da física quântica são válidas no mundo macro.

Fonte: Nature

Técnica para medir rotação da luz

A luz pode ter um "momento angular orbital", uma espécie de rotação, mas que se parece mais com um planeta orbitando ao redor do Sol do que girando sobre seu próprio eixo.

© U. F. de Alagoas (rotação da luz com difração triangular)

Medir essa propriedade é complicado, mas pesquisadores brasileiros mostram que dirigir um feixe luminoso através de um buraco triangular cria uma matriz triangular de pontos que indica diretamente a dinâmica orbital angular desse feixe.

A técnica, simples e elegante, é uma ferramenta importante para explorar uma propriedade incomum da luz, que poderá no futuro ser usada para codificar informações quânticas.

Quando um feixe de luz possui momento angular, esse momento angular pode ter dois elementos. O momentum angular "spin" corresponde à polarização circular da luz para a direita ou para esquerda, o que significa que a direção do campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário conforme a luz se move para a frente.

O momento angular orbital ocorre quando a direção do campo elétrico varia no interior do feixe. Por exemplo, imagine medir a direção do campo elétrico em cada ponto ao redor de um feixe de luz de grande diâmetro. Ele pode apontar para cima, para a direita, para baixo, ou para a esquerda.

Este feixe pode ter uma unidade de momento angular orbital, uma "carga topológica" de um. O campo de um feixe de carga dois poderia dar duas rotações completas conforme você se move ao redor de seu contorno.

Os pesquisadores esperam aproveitar esta propriedade para transportar informações com a luz, exatamente como eles já fazem com a polarização, pois enquanto cada fóton tem apenas dois estados de spin distintos, há potencialmente infinitos estados do momento angular orbital. O problema é que até agora não havia um método de distinguir os diversos estados do momento angular orbital de forma eficiente.

Os físicos já haviam descoberto como gerar feixes que possuam momento angular orbital e usá-los para exercer torque sobre partículas, movimentando-as.

Mas Jandir Miguel Hickmann e seus colegas da Universidade Federal de Alagoas, em Maceió, afirmam que há uma quantidade muito pequena de pesquisas que exploram o que acontece quando esses raios de luz passam por aberturas muito pequenas.

Esses experimentos de difração geram padrões de pontos que os físicos vêm usando há muito tempo para analisar as propriedades da luz comum, mas as técnicas para medir o momento angular orbital são poucas e mais complicadas.

Quando Hickmann e seus colegas simularam a difração de feixes de luz passando através de furos de variados formatos, eles descobriram que o uso de um triângulo isósceles traz um benefício inesperado: "Você pode simplesmente contar os pontos para descobrir a carga topológica". Os pesquisadores também verificaram esta previsão experimentalmente.

A equipe calculou e observou que, uma vez que o feixe está centrado no furo, ele gera um padrão incomum: uma rede triangular de pontos. O brilho de cada ponto individual depende das contribuições combinadas da luz a partir de diferentes locais no buraco triangular.

Os cálculos preveem que os pontos mais brilhantes formam um triângulo cujo tamanho (o número de pontos em cada um dos seus lados) é uma unidade maior do que a magnitude da carga topológica.

Além disso, o padrão luminoso triangular é girado em 60 graus em qualquer direção em relação à abertura, com a direção dependendo do sinal da carga (o sentido de rotação da luz). Assim, a abertura triangular representa uma maneira fácil de medir a magnitude e o sinal do momento angular orbital.

Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, na Escócia, comentando o artigo dos brasileiros, afirmou que "Foi uma surpresa, pelo menos para mim, que haja uma relação tão simples e bonita" entre o número de pontos difratados, a orientação do padrão, a magnitude e o sinal da carga topológica.

Fonte: Physical Review Letters

Busca da quarta propriedade do elétron

Os elétrons são partículas elementares com carga negativa que formam camadas em torno dos átomos e dos íons. Esta definição poderá exigir uma complementação.

© Revista Física (ilustração da quarta propriedade do elétron)

Muitos físicos acreditam que os elétrons têm um momento de dipolo elétrico permanente. Como os pólos magnéticos norte e sul de um ímã, existem também dois pólos elétricos. Um momento de dipolo elétrico geralmente é criado quando cargas positivas e negativas são separadas espacialmente. No caso dos elétrons, a situação é muito mais complicada porque os elétrons não deveriam ter realmente qualquer dimensão espacial.

Apesar disso, muitas teorias físicas vão além do Modelo Padrão da física de partículas elementares e de fato baseiam-se na existência de um momento de dipolo. E não são teorias quaisquer, são teorias que tentam explicar como o Universo foi criado.

Segundo as teorias mais aceitas atualmente, há cerca de 13,7 bilhões de anos, o Big Bang teria criado quantidades iguais de matéria e de antimatéria.

Mas matéria e antimatéria destroem-se mutuamente. Logo, nada deveria ter permanecido. Na realidade, porém, criou-se muito mais matéria do que antimatéria.

Um momento de dipolo elétrico do elétron poderia explicar este desequilíbrio.

Até agora, porém, ninguém conseguiu provas da existência deste suposto momento de dipolo, eventualmente porque as técnicas atuais simplesmente não são sensíveis o suficiente.

Mas um pequeno pedaço de cerâmica está para mudar toda essa história. Marjana Lezaic e Konstantin Rushchanskii, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, nos Estados Unidos, projetaram essa cerâmica simulando o comportamento quântico dos átomos em um supercomputador.

A cerâmica é o titanato de bário-európio (Eu_0.5Ba_0.5TiO₃), que tem algumas propriedades muito especiais, permitindo a realização de medições 10 vezes mais sensíveis do que foi feito até hoje. Isto deverá ser suficiente para localizar o momento de dipolo elétrico do elétron.

A ideia é usar um magnetômetro SQUID, o sensor magnético mais sensível já construído, para medir a magnetização do pedaço de cerâmica quando ele for submetido a um campo elétrico.

Como um momento elétrico não pode ser medido diretamente, os cientistas esperam demonstrar uma mudança na magnetização quando o campo elétrico é invertido. Isto seria um indício da existência do elusivo momento do dipolo elétrico.

© Nature Materials (reversão de dipolo do elétron)

Se o campo elétrico for invertido, os momentos de dipolo dos elétrons serão revertidos, levando, consequentemente, a uma mudança simultânea mensurável na magnetização.

Em um elétron, um dipolo elétrico só pode ser orientado paralelamente ou antiparalelamente ao spin do elétron. Em um campo elétrico, a maioria dos elétrons são orientados de tal forma que seu momento dipolo é paralelo ao campo. Poucos são orientados na outra direção.

Isso deve levar a uma magnetização mensurável. Se o campo elétrico for invertido, os momentos de dipolo dos elétrons serão revertidos, levando, consequentemente, a uma mudança simultânea mensurável na magnetização.

Se não existir um momento de dipolo elétrico, a magnetização deverá permanecer inalterada.

Uma equipe da Universidade de Praga, na República Tcheca, já sintetizou e caracterizou o material em laboratório, confirmando as propriedades calculadas pelos colegas norte-americanos.

Mas o cobiçado momento de medir o dipolo do elétron ainda não chegou. "Efeitos indesejados ainda estão inibindo as medições," conta Lezaic, sem esconder a decepção. "Mas estamos trabalhando intensamente na melhoria do material."

Fonte: Nature Materials