Um novo estado para partículas de luz

Físicos da Universidade de Bonn criaram um novo tipo de fonte de luz, um condensado de Bose-Einstein consistindo de fótons. Até recentemente, acreditava-se que reduzir partículas de luz a esse estado seria impossível. O método poderá ser útil para a criação de fontes de radiação semelhantes aos raios laser, mas na faixa de frequência dos raios X.

© Jan Klaers, Universidade de Bonn (ilustração de um superfóton)

O condensado de Bose-Einstein surge quando um conjunto de partículas é resfriado até o ponto em que todas assumem características idênticas, de forma que o grupo passa a se comportar como uma única "superpartícula".

O processo já havia sido realizado com sucesso em átomos e também era teoricamente possível de se executar com luz, mas as dificuldades técnicas para condensar partículas de luz eram enormes, já que os fótons simplesmente desaparecem quando a temperatura cai demais.

Os pesquisadores alemães usaram dois espelhos, entre os quais um raio de luz era mantido, refletindo-se de um lado para o outro. Entre os espelhos, foram dissolvidos pigmentos que absorviam e liberavam os fótons. A seguir a imagem mostra a distribuição espacial da radiação durante a formação do condensado de Bose-Einstein.

© Nature (distribuição espacial da radiação)

No processo, os fótons assumiram a temperatura do fluido. Eles se resfriaram até a temperatura ambiente, sem se perder no processo.

Os físicos então aumentaram a quantidade de fótons entre os espelhos, excitando os pigmentos com um laser. Isso permitiu que a luz resfriada se concentrasse de forma tão intensa que acabou gerando um "supérfóton".

Tecnologicamente, isso poderá ser útil para criadores de chips de computador, já que um laser com comprimento de onda muito baixo, como o dos raios X, poderia entalhar padrões extremamente detalhados e precisos no silício.

Fonte: Nature

Átomos de antimatéria são criados e armazenados pela primeira vez

Pela primeira vez, cientistas conseguiram não só produzir como estocar e liberar, de forma controlada, átomos de antihidrogênio, a versão em antimatéria dos átomos de hidrogênio, os mais simples encontrados na natureza. Esta tecnologia possibilitou criar e aprisionar, por 170 milissegundos, pelo menos 38 átomos da antimatéria do hidrogênio. O resultado foi obtido depois de 335 rodadas do experimento, misturando 10 milhões de antiprótons e 700 milhões de pósitrons.

 

© CERN (detalhe do equipamento usado no experimento)

Antimatéria é composta por partículas idênticas às da matéria comum, mas dotadas de carga elétrica oposta. Os antiprótons têm carga negativa e os antielétrons, ou pósitrons, carga positiva.

Os átomos de antihidrogênio já haviam sido criados anteriormente, mas até agora tinha sido impossível isolá-los, e eles acabavam se chocando com átomos de matéria normal, aniquilando-se em um flash de raios gama, produzindo radiação. Essa característica é usada na tecnologia médica, onde a chamada tomografia PET se vale da desintegração de pósitrons para gerar os sinais que são captados pelo equipamento de imagem. Em um experimento não diretamente relacionado, realizado em 2005, um grupo de físicos conseguiu criar o positrônio, um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

As características do anti-hidrogênio precisam ser determinadas experimentalmente para confirmar, ou não, previsões feitas pelo modelo padrão das partículas elementares. Mesmo sendo criados num vácuo, átomos de anti-hidrogênio produzidos em laboratório sempre se encontram cercados de matéria comum e acabam destruídos antes que os cientistas consigam analisá-los. O fato de os átomos de antimatéria não terem carga elétrica faz com que aprisioná-los e isolá-los da matéria comum seja ainda mais difícil do que conter pósitrons e antiprótons. A figura a seguir mostra em a) o interior do equipamento ALPHA, e em b) um diagrama do potencial em função da posição axial mostrando a concentração de pósitrons e a presença de antiprótons antes e depois da ejeção do feixe.

© CERN (equipamento ALPHA)

No experimento ALPHA (Antihydrogen Laser PHysics Apparatus) do CERN (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares), foram utilizadas temperaturas extremamente baixas para desacelerar pósitrons e antiprótons o suficiente para que interagissem e formassem os átomos de anti-hidrogênio.

Em seguida, aplicando campos magnéticos, foram isolados com sucesso esses átomos por mais de um décimo de segundo, o que seria tempo suficiente para estudá-los. A temperatura dos antiátomos formados foi de 0,5 K, ou meio grau acima do zero absoluto. O vácuo do espaço, entre as estrelas, tem uma temperatura de 2,7 K.

Os cientistas ainda buscam uma explicação para a predominância de matéria no Universo. Em teoria, matéria e antimatéria deveriam ter surgido em quantidades iguais no Big Bang e se aniquilado em seguida, mas por algum motivo restou um saldo de matéria positiva que foi dar origem às estrelas, planetas e galáxias.

O estudo dos átomos de antihidrogênio poderá ajudar a entender a causa desse desequilíbrio.

Fonte: Nature

Experimento sugere novo tipo de neutrino

Um experimento realizado no Fermilab parece elucidar uma descoberta relatada há mais de 20 anos e que mostraria falhas no Modelo Padrão da Física.

© Fermilab (neutrinos no experimento MiniBooNE)

Há indícios da existência de uma nova partícula elementar: um quarto tipo de neutrino. Mais do que isso, os resultados mostram a violação de uma simetria fundamental do Universo, que estabelece que as partículas de antimatéria se comportam da mesma forma que os seus equivalentes de matéria.

Neutrinos são partículas elementares neutras, que nascem do decaimento radioativo de outras partículas. Os neutrinos conhecidos são: o neutrino do elétron (ν_e), o neutrino do múon (ν_μ) e o neutrino do tau (ν_τ).

Independentemente do sabor original de um neutrino, essas partículas constantemente mudam de um tipo para outro, em um fenômeno chamado "oscilação de sabores dos neutrinos", onde um neutrino do elétron pode se tornar um neutrino do múon e, posteriormente, voltar a ser um neutrino do elétron.

Agora, no experimento chamado MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment), foi detectado mais oscilações dos neutrinos do que seria possível se houvesse apenas três sabores deles. Num intervalo de energia entre 475 MeV  e 1250 MeV existiam 5,66 x 10²º prótons no alvo.

Estes resultados implicam que, ou há novas partículas, ou há forças que não haviam sido consideradas. A explicação mais simples envolve considerar a existência de novas partículas parecidas com os neutrinos, ou neutrinos estéreis, que não sofrem as interações fracas normais. Os neutrinos estéreis poderiam ajudar a explicar a composição da matéria escura e a assimetria do Universo.

Os três tipos conhecidos de neutrinos interagem com a matéria principalmente através da força nuclear fraca, o que os torna difíceis de detectar. A hipótese é que esse quarto sabor não interagiria através da força fraca, tornando-o ainda mais difícil de identificar.

Resultados similares do experimento MiniBooNE foram obtidos recentemente, quando cientistas europeus detectaram o que eles chamaram de neutrino camaleão, justamente porque os neutrinos mostraram uma oscilação maior do que a prevista pelo Modelo Padrão.

Os resultados agora obtidos parecem violar também a "simetria de paridade de carga" do Universo, que afirma que as leis da Física se aplicam da mesma forma às partículas e às suas equivalentes antipartículas. Violações desta simetria já foram vistas em alguns decaimentos raros, mas nunca antes com neutrinos.

Os experimentos, contudo, ainda não são definitivos. Novos dados precisam ser  coletados para que seja possível descartar de vez todas as predições feitas pelo Modelo Padrão.

Fonte: Physical Review Letters

LHC vai começar a estudar o Big Bang

O Grande Colisor de Hádrons (LHC) atingiu nesta semana uma etapa importante, ao finalizar as colisões de prótons previstas para sua primeira fase de operações. A partir de agora, o LHC passa para uma outra fase, na qual serão feitas colisões usando íons de chumbo, alcançando a temperatura de 10 trilhões de °C.

© CERN (fonte de íons de chumbo)

Uma das principais metas para 2010 era chegar a uma luminosidade (uma medida da taxa de colisões) da ordem de 10³² por centímetro quadrado por segundo.

Isto foi alcançado em 13 de outubro, com duas semanas de antecedência. Antes de encerrar as colisões de prótons, a máquina atingiu esse valor duas vezes, permitindo que os experimentos duplicassem a quantidade de dados coletados em um período de poucos dias.

O principal objetivo para 2011 será coletar dados suficientes, o femtobarn inverso (10⁻⁴³m²), para fazer avanços que possam cruzar as fronteiras da Física atual.

Os resultados obtidos até agora, quando se atingiu um total de energia de 7 TeV, incluem a validação de aspectos do Modelo Padrão de partículas.

© CERN (rastro de partículas no experimento ALICE)

A colisão de íons de chumbo vai avançar por outras fronteiras, rumo ao estudo dos primeiros instantes de existência do Universo.

Um dos principais objetivos com o uso do chumbo é produzir pequenas quantidades da matéria primordial que preenchia o Universo instantes depois de sua criação, conhecida como plasma de quarks-glúons, e estudar sua evolução para o tipo de matéria que compõe o Universo hoje.

Outro aspecto importante é elucidar as propriedades da interação forte, que liga as partículas chamadas quarks, em objetos maiores, como prótons e nêutrons.

O LHC vai colidir íons de chumbo até 6 de Dezembro, antes de uma parada técnica para manutenção. O funcionamento do colisor irá recomeçar, novamente com prótons, em fevereiro de 2011.

Fonte: CERN

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.

© 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

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.

© 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.

© 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

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