Transmissão de mensagem através de neutrinos

Os neutrinos talvez não sejam mais rápidos do que a luz, mas podem se tornar as estrelas de uma nova forma de comunicação.

© Fermilab (antena de transmissão)

Cientistas do Projeto Minerva demonstraram na prática que é possível transmitir uma mensagem usando neutrinos.

E como neutrinos são capazes de atravessar virtualmente qualquer coisa, isto significa que as mensagens podem ser enviadas diretamente através da Terra.

Neste experimento pioneiro, a palavra "neutrino" foi transmitida a uma distância de 1 km, incluindo 210 metros de rocha sólida.

A esfericidade da Terra exige múltiplas torres de repetição para a transmissão de dados por ondas eletromagnéticas.

Se remetente e destinatário estiverem longe o suficiente, a solução mais viável é transmitir a mensagem para um satélite artificial, que está no alto para captar os dois e servir de ponte para a comunicação.

Uma alternativa é ligar todos os pontos por redes de fibras ópticas.

Mas uma mensagem de neutrinos pode ser enviada diretamente, simplesmente mirando na posição do destinatário e disparando o feixe, não importando se há montanhas, oceanos, ou mesmo se o destinatário está do outro lado da Terra.

Neutrinos são partículas eletricamente neutras e quase sem massa - sua massa é tão desprezível que um neutrino é capaz de atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com um só átomo.

Isso, obviamente, impõe um desafio para uma futura comunicação por neutrinos: construir uma antena capaz de detectá-los.

Felizmente os físicos vêm fazendo isso há anos, para criar os observatórios que permitam estudá-los.

Ainda são detectores muito sensíveis, que precisam ser instalados em compartimentos subterrâneos, capazes de isolá-los de outros tipos de radiação.

© Fermilab (detector Minerva)

Neste experimento, os cientistas usaram como antena de recepção o detector Minerva, que pesa nada menos do que 170 toneladas. O transmissor foi o feixe de neutrinos NUMI (Neutrinos Main Injector).

Ambos são parte do acelerador de partículas Fermilab, nos Estados Unidos.

Embora pareça interessante, dificilmente as mensagens por neutrinos terão uso prático: a velocidade atingida na transmissão foi de 0,1 bit por segundo.

Ou seja, levou mais de duas horas para que a palavra "neutrino" fosse transmitida.

A mensagem foi codificada de forma binária, onde transmitir neutrinos significava 1, e não transmitir neutrinos significava 0.

Embora o feixe de transmissão dispare trilhões de neutrinos de cada vez, o detector só raramente consegue detectá-los.

A palavra neutrino consistia de 25 pulsos, separados entre eles por um período sem transmissão de 2 segundos. Isso foi repetido 3.500 vezes ao longo de 142 minutos.

Em média, a "antena" detectou 0,81 neutrino a cada pulso, com uma taxa de erro de 1% - apenas 1 em cada 10 bilhões de neutrinos foi detectado.

Fonte: Fermilab e Inovação Tecnológica

Experimento em usina nuclear chinesa

Neutrinos são pequenas partículas esquivas. Apenas no final da década de 1990 foi descoberto que eles têm massa, após anos de indicações duvidosas nesse sentido.

© Roy Kaltschmidt (detector de neutrinos Daya Bay)

Podem oscilar entre três tipos, ou "sabores", mudando a identidade durante o trajeto. Talvez o que lhes tenha trazido mais fama é que foram acusados, no ano passado, de quebrarem a lei cósmica de viajar mais rápido que a luz (o júri ainda não deliberou, mas a absolvição parece iminente).
Agora, cientistas estão mais próximos de descobrir o modus operandi do neutrino. A colaboração de físicos possibilitou medir um dos descritores essenciais da mudança de comportamento, que troca o sabor do neutrino, um número chamado θ 13 (lê-se “teta um três”). Esse número, conhecido como ângulo de mistura, descreve a probabilidade de uma antipartícula de neutrino do elétron, o antineutrino do elétron, oscilar para outro sabor, percorrendo uma distância relativamente curta (cada um dos três sabores de neutrinos – do elétron, do tau e do múon – tem sua própria antipartícula parceira). Dois outros parâmetros de oscilação de neutrinos, ou ângulos de mistura, já foram medidos, mas o θ 13 é relativamente pequeno se comparado com os outros dois e provou ser mais difícil de definir.
Desde o ano passado, um grupo de físicos tenta medir o θ 13 rastreando antineutrinos emitidos por uma grande usina nuclear Chinesa. A colaboração do experimento do Reator de Neutrinos Daya Bay construiu seis detectores, alguns perto dos reatores e outros a mais de um quilômetro de distância, para acompanhar como antineutrinos do elétron se transformam em outros sabores ao viajar através do espaço. Já que os detectores são ajustados para identificar apenas antineutrinos do elétron, qualquer oscilação significa que os neutrinos não serão detectados, isto é, eles parecem desaparecer. Outros experimentos tomaram o rumo oposto, procurando o surgimento de neutrinos do elétron em um feixe que transporta outros tipos de neutrinos.
Em apenas dois meses de dados, o conjunto distante de detectores registrou mais de 10 mil visitas de antineutrinos do elétron. Isso, porém, corresponde a apenas 94% do quanto seria ingenuamente esperado por extrapolação a partir dos detectores mais próximos dos reatores nucleares. Isso significa que uma fração substancial oscilou para outro sabor em sua viagem relativamente curta. “O que vemos agora é que este desaparecimento (de antineutrinos do elétron) está em 6%”, afirma o físico de neutrinos Karsten Heeger, da Universidade de Wisconsin-Madison, membro da colaboração Daya Bay. “É um efeito bastante grande”. Heeger apresentou os resultados experimentais em 8 de março em um simpósio na Universidade Duke, e o grupo submeteu seu estudo para a Physical Review Letters.

Fonte: Scientific American Brasil

Um diodo emissor de luz eficiente

Físicos conseguiram demonstrar na prática, pela primeira vez, que um semicondutor pode emitir mais energia do que consome.

© APS (diodo emissor de luz)

O semicondutor é um diodo emissor de luz (LED) que absorve energia na forma de eletricidade e a emite na forma de luz.

Os cálculos teóricos que indicavam que isso era possível foram feitos há décadas.

A energia absorvida por um elétron que viaja através de um LED é igual à sua carga vezes a tensão aplicada, que causou seu movimento.

Mas se esse elétron ocasionar a emissão de um fóton, ou seja, se ele produzir luz, a energia do fóton emitido depende da chamada bandgap - a diferença de energia entre os elétrons da camada de condução e da camada de valência - que pode ser muito maior.

Ou seja, potencialmente a energia gerada pode ser maior do que a energia consumida. Mas ninguém nunca havia visto isto acontecer na prática.

Como, na maior parte dos casos, a grande maioria dos elétrons não produz fótons, o rendimento médio, em termos da luz emitida por um LED, fica abaixo da potência elétrica consumida.

Parthiban Santhanam e seus colegas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) conseguiram produzir o efeito previsto pela teoria, ainda que, em seu LED, menos de 1 em cada 1.000 elétrons produza efetivamente um fóton.

Eles criaram um LED com uma bandgap muito estreita, e aplicaram uma tensão tão pequena que o componente funciona como se fosse um resistor.

A partir daí, eles começaram a cortar a tensão pela metade, reduzindo a potência elétrica por um fator de 4.

Mas o número de elétrons caiu apenas por um fator de 2, e consequentemente a potência da luz emitida.

Ao chegar a uma potência elétrica de entrada de 30 picowatts, os pesquisadores detectaram cerca de 70 picowatts de luz emitida.

Essa energia extra vem das vibrações da rede atômica do material, induzidas pelo calor ambiente; logo, o LED se resfria ligeiramente, como acontece nos trocadores de calor termoelétricos.

O experimento fornece luz insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Contudo, ele demonstra que aquecer os diodos emissores de luz aumenta sua potência de saída e sua eficiência.

Isso significa que eles podem se comportar como motores de calor termodinâmicos, mas provavelmente não nas altas velocidades de chaveamento que eles alcançam nos aparelhos eletrônicos modernos.

Fonte: Physical Review Letters

Ondas de rádio torcidas em múltiplos canais

Um grupo de pesquisadores italianos e suecos parece ter resolvido o problema do congestionamento dos canais de transmissão de dados via rádio ou transmissões wireless.

© Revista Física (ondas eletromagnéticas torcidas)

Celulares, internet sem fio e TVs digitais estão provocando um esgotamento rápido do número de frequência de rádio disponíveis para transmitir informações, embora a adoção da era digital esteja longe de atingir seu potencial.

A saída pode ser trançar as ondas de rádio, girando-as em seu próprio eixo, até que elas assumam o formato da rosca de um parafuso.

Uma onda pode ser girada ao redor de seu eixo um certo número de vezes, tanto no sentido horário quanto anti-horário, o que permite montar inúmeras configurações de ondas diferentes, que podem compartilhar a mesma banda de transmissão, ou a mesma frequência.

Agora, Fabrizio Tamburini e seus colegas das universidades de Pádua (Itália) e Uppsala (Suécia) demonstraram que isso também é possível de se fazer na prática com as ondas de rádio.

As ondas de rádio torcidas permitem que um número praticamente infinito de canais possa ser transmitido e recebido em uma mesma área. O mecanismo funciona para rádio, TV e WiFi.

Para demonstrar a técnica, a equipe transmitiu ondas de rádio torcidas, na banda de 2,4 GHz, por uma distância de 442 metros, entre uma casa na Ilha de São Jorge e um prédio na região continental de Veneza, na Itália.

Os dois canais inseridos na transmissão foram detectados e separados perfeitamente.

"É possível usar a multiplexação, como na TV digital, em cada um dos feixes, para implementar ainda mais canais nos mesmos estados, o que significa que se pode obter 55 canais na mesma banda de frequência," disse Tamburini.

A descoberta tem efeitos também na astrofísica.

Os buracos negros, por exemplo, estão girando constantemente. Conforme as ondas passam por eles, elas são forçadas a girar, alinhando-se com o buraco negro.

De posse dos novos cálculos, os astrofísicos poderão tirar mais informações da luz captada, em diversos comprimentos de onda, vinda desses e de outros corpos celestes.

"Nós descobrimos que isso cria um novo efeito relativístico que estampa um momento angular orbital nessa luz," afirma o grupo, em um outro artigo que estabelece os fundamentos teóricos da descoberta.

Fonte: New Journal of Physics e Nature Physics

Mapa dos elétrons de uma única molécula

Pesquisadores da IBM conseguiram captar pela primeira vez imagens da distribuição das cargas elétricas em uma única molécula, essencialmente um mapa dos elétrons da molécula.

© Nature (distribuição de cargas numa molécula de naftalocianina)

As imagens revelam detalhes de uma complexa oscilação de elétrons, mostrando a distribuição de energia entre os segmentos da molécula.

Os cientistas já haviam medido a carga elétrica e até o spin de um átomo individual, embora o que mais tenha sido comemorado tenha sido a foto de átomo neutro.

Fabian Mohn e seus colegas combinaram vários tipos de microscópios eletrônicos, mas demonstraram a utilidade especial de um tipo menos conhecido deles, chamado microscópio de força por sonda Kelvin (Kelvin probe force microscopy).

Trata-se de uma variação do microscópio de força atômica, mas que não faz contato físico com a amostra que está sendo analisada.

Um braço oscilante, ou cantiléver, com uma ponta formada por uma única molécula passa sobre a amostra, que é eletricamente condutora. A diferença de potencial entre a ponta e a amostra gera um campo elétrico que pode ser medido.

Assim, o microscópio não mede a carga elétrica da molécula diretamente, mas o campo elétrico gerado por essa carga. O campo é mais forte nas áreas da molécula que estão carregadas.

Áreas com cargas opostas produzem um contraste diferente porque a direção do campo elétrico se inverte; é essa diferença que gera as áreas mais claras ou mais escuras da imagem.

O material analisado na verdade era uma única molécula de naftalocianina, o sistema experimental todo inclui, além da molécula observada, uma finíssima camada isolante de sal de cozinha (NaCl), que as separa do substrato de ouro.

Os cientistas mostraram que a microscopia de força por sonda Kelvin pode mapear a diferença de potencial desse sistema com resolução submolecular, e através de cálculos teóricos de densidade funcional verificaram que esses mapas refletem a distribuição intramolecular das cargas.

A naftalocianina é uma molécula que, por ficar saltando de um estado para outro sob a ação de uma carga elétrica, já está sendo estudada para o desenvolvimento de um transístor molecular.

Embora seja uma pesquisa básica, a expectativa é que a melhoria das técnicas de observação de materiais em escala molecular e atômica permita o melhor entendimento de mecanismos envolvidos, por exemplo, com o desenvolvimento de melhores catalisadores e da fotossíntese artificial.

Fonte: Nature Nanotechnology

Vórtices magnéticos viram bits gravados eletricamente

Há cerca de três anos, cientistas alemães descobriram uma estrutura magnética totalmente nova em um cristal de silício e manganês - uma rede ordenada de redemoinhos magnéticos.

© Nature (skyrmions formando uma rede regular num cristal)

Esses redemoinhos foram batizados de skyrmions pelo professor Christian Pfleiderer, da Universidade Técnica de Munique, em homenagem a Tony Skyrme, um físico teórico britânico que previu sua existência cinquenta anos antes.

A verificação experimental do fenômeno foi um impulso para a área da spintrônica, componentes nanoelétricos que utilizam não apenas a carga dos elétrons para processar informações, mas também seu momento magnético, mais conhecido como spin.

Entusiasmados com a então recente concessão do Prêmio Nobel de Física de 2007 a Peter Grünberg e Albert Fert pela descoberta de um mecanismo que permitiu a leitura mais rápida de dados armazenados magneticamente nos discos rígidos, os cientistas logo pensaram em usar esses cristais de vórtices magnéticos para armazenar dados.

No campo do armazenamento de dados, as pesquisas hoje se concentram em descobrir como os dados magnéticos podem ser escritos diretamente nos materiais usando apenas a corrente elétrica.

A vantagem dos skyrmions é que eles podem ser controlados com uma corrente 100.000 vezes menor do que a necessária para controlar outras nanoestruturas.

E, enquanto o bit magnético de um disco rígido moderno possui cerca de um milhão de átomos, os cientistas já demonstraram skyrmions com apenas 15 átomos.

Agora, a equipe alemã desenvolveu uma técnica que permite que os skyrmions sejam movidos e medidos de uma forma inteiramente eletrônica.

"Quando os redemoinhos elétricos movem-se em um material, eles geram um campo elétrico," explica o Dr. Pfleiderer. "E isto é algo que nós podemos medir diretamente com equipamentos eletrônicos disponíveis em nosso laboratório."

Hoje, na cabeça de leitura e escrita de um disco rígido, uma corrente elétrica é usada para gerar um campo magnético, a fim de magnetizar uma área do disco e, assim, registrar um bit de dados.

Os skyrmions, ao contrário, podem ser movidos diretamente, e com uma corrente muitíssimo menor.

"Isto deverá tornar a gravação e o processamento de dados muito mais compacto e energeticamente eficiente," diz o pesquisador.

Contudo, ainda há desafios a vencer: tudo está funcionando no laboratório em temperaturas criogênicas, incompatíveis com equipamentos funcionando à temperatura ambiente.

Fonte: Nature Physics

Criado o menor transístor atômico

Cientistas australianos criaram um transístor atômico, totalmente funcional, e fabricado com uma precisão inédita.

© Nature (potencial em função da posição dos eletrodos dopados)

O transístor miniaturizado consiste em um único átomo de fósforo colocado sobre um cristal de silício com poucos átomos de largura.

Nas extremidades da pastilha de silício são colocados os eletrodos e a porta de controle, tudo em escala atômica.

Todo o conjunto estando em escala atômica significa que o novo componente é tão importante para a computação quântica quanto para a computação eletrônica tradicional.

Já foram criados diversos tipos de transistores atômicos antes, mas todos dependiam de uma certa dose de acaso durante os experimentos, já que a manipulação de átomos individuais é muito difícil. Isso significa que, nos experimentos anteriores, os cientistas tinham que construir inúmeros dispositivos, até encontrar um que funcionasse.

"Mas esse componente é perfeito," garante a Dra. Michelle Simmons, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. "Esta é a primeira vez que se demonstrou o controle de um átomo individual sobre um substrato com esse nível de precisão.

Depois que o transístor fica pronto, sob o microscópio eletrônico, "é possível ver até as minúsculas marcas escavadas na sua superfície," garante o Dr. Martin Fuechsle, coautor do trabalho.

É nessas saliências que os eletrodos são colocados, para que a tensão seja fornecida e o transístor funcione. Estas estruturas são fabricadas por uma espécie de litografia, a técnica padrão usada pela indústria eletrônica.

O grupo provou que é realmente possível posicionar um átomo de fósforo num ambiente de silício juntamente com as portas de controle.

O transístor atômico apresentou características eletrônicas que confirmam uma previsão surpreendente, de que a Lei de Ohm funciona em escala atômica.

Se o atual ritmo de miniaturização se mantiver, os transistores deverão atingir a escala atômica por volta de 2020.

Enquanto os chips mais modernos no mercado possuem transistores de 32 nanômetros, o átomo de fósforo usado neste transístor atômico mede 0,1 nanômetro.

Embora o protótipo de um transístor atômico agora já esteja pronto, sua construção depende de aparatos como o microscópio de força atômica, o que significa que a técnica ainda não é totalmente adequada para a fabricação de componentes eletrônicos em larga escala. E, para funcionar, ele deve ser mantido a uma temperatura de -196 ºC.

Mas talvez esta seja uma das primeiras demonstrações de uma das grandes promessas da nanotecnologia, a de que é possível manipular átomos para construir dispositivos úteis.

O transístor atômico também pode representar a fronteira final da eletrônica como a conhecemos, a partir de onde já se entra no reino da spintrônica e da computação quântica.

Fonte: Nature Nanotechnology

O sinal para o Bóson de Higgs ganha força

Essa semana, os dois principais experimentos do Large Hadron Collider (LHC), o acelerador de partículas mais potente do mundo, apresentaram os resultados das últimas análises.

© CERN (colisão de partículas no detector CMS)

Os novos artigos corroboram o anúncio de dezembro, do possível sinal do Higgs, mas não nos animemos muito.
Primeiro, não há dados novos: o LHC cessou a colisão de prótons em novembro e estes últimos resultados são apenas revisões de etapas anteriores. No caso do Compact Muon Solenoid (CMS), físicos foram capazes de observar outro tipo possível de decomposição do Higgs, permitindo a ampliação do sinal de 2,5σ para 3,1σ. Tomados em conjunto com os dados de outro detector, o Atlas, o sinal global do Higgs, não oficialmente, se encontra em cerca de 4,3σ. Em outras palavras, se acreditarmos nas estatísticas, então esse sinal tem quase 99,996 % de chance de estar certo.
Após o reinício do LHC, em abril deste ano, estaremos muito mais perto de saber o que realmente ocorre. Agora, cientistas se reúnem em Chamonix, na França, para decidir a potência a usar então no acelerador. Os últimos rumores dizem que o aparelho impulsionará de 7-8 TeV e que aumentará ainda a luminosidade (o número de colisões por passagem).

A significância com maior excesso (em 124 GeV) aumentou ligeiramente para um desvio padrão de 2,1. Não há nenhuma mudança substantiva nas conclusões: a questão da existência do bóson de Higgs referente ao Modelo Padrão só poderá ser resolvido com a coleta de mais dados durante este ano.

Fonte: Scientific American Brasil e CERN

Discos rígidos podem ser gravados com calor

Uma equipe internacional de cientistas demonstrou uma forma quase inacreditável de ler e escrever bits magnéticos em um disco rígido.

© Universidade de York (gravando dados com calor)

A descoberta possibilita a gravação das informações usando apenas calor. A gravação com calor também é muito mais rápida do que a técnica atual, que utiliza campos magnéticos.

A técnica permite que as informações sejam processadas centenas de vezes mais rapidamente do que pelo método magnético, além de exigir menos energia.

"Em vez de usar um campo magnético para gravar as informações na mídia, nós exploramos forças internas muito mais fortes e gravamos os dados usando apenas o calor," afirmou o Dr. Thomas Ostler, da Universidade de Iorque, no Reino Unido, principal autor da pesquisa.

Este método revolucionário permite a gravação de terabytes (milhares de gigabytes) de dados por segundo, centenas de vezes mais rápido do que a tecnologia atual de discos rígidos. Como não há necessidade de um campo magnético, há também um menor consumo de energia.

O feito é mais surpreendente porque sempre se acreditou que o calor destruísse a ordem magnética.

Até agora se acreditava que a única forma de gravar um bit de informação - fundamentalmente inverter os pólos de um ímã - consistia em aplicar um campo magnético externo.

Quanto mais forte for o campo magnético aplicado, mais rápido será feita a gravação do bit magnético.

A indústria sabe disso, mas há tempos não consegue reduzir o tempo de gravação de um bit magnético, que atualmente está por volta de 1 nanossegundo.

O que a equipe demonstrou é que as posições dos pólos norte e sul do ímã, ou do domínio magnético que representa um bit, podem ser invertidas por um pulso ultracurto de calor.

A súbita elevação da temperatura altera a orientação do ímã em 2 milésimos de nanossegundo.

Segundo os cientistas, com a técnica de escrita por calor é possível atingir uma densidade de armazenamento de 10 petabytes por metro quadrado a uma velocidade de 200 Gb/s. Isso representa 10 vezes mais dados por área, gravados 300 vezes mais rápido, do que os discos rígidos atuais.

O campo magnético gerado pela cabeça de gravação de um disco rígido possui uma direção, o que permite que ela grave ou um 0 ou um 1. Já um pulso de calor não tem direção.

Uma hipótese deste procedimento se deve à combinação de átomos no material magnético usado, uma liga de ferro e com o metal de terras raras gadolínio.

Cada átomo tem seu próprio magnetismo, e normalmente os dois elementos apontam em direções opostas. Como os átomos de gadolínio são magneticamente mais fortes, os átomos de ferro se alinham com eles.

Um pulso de calor muito curto - de 1/10.000 de nanossegundo - é suficiente para desarranjar a orientação em massa dos átomos de ferro. Os átomos de gadolínio reagem mais lentamente. Quando o material esfria de novo, os átomos dos dois materiais estão apontando em direções opostas.

Mas basta repetir o processo para que todos os átomos se agitem - e os átomos de ferro voltam a acompanhar os átomos de gadolínio.

Os pulsos de calor são disparados com um laser. Segundo os pesquisadores, com a eliminação dos eletroímãs no interior de um disco rígido, o equipamento poderá consumir muito menos energia, mesmo levando em conta o consumo do laser.

Fonte: Nature

Efeito deixa átomo de ferro transparente

Cientistas conseguiram realizar um experimento pelo qual demonstraram que o núcleo atômico pode se tornar transparente.

© DESY (princípio da transparência induzida eletromagneticamente)

A novidade, do grupo liderado por Ralf Röhlsberger no Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY), em Hamburgo, na Alemanha, é considerada importante para o desenvolvimento de computadores quânticos, que poderão substituir os atuais com velocidades de processamento hoje impossíveis de serem atingidas.

A técnica, que utiliza o efeito da transparência induzida eletromagneticamente, permite com que materiais opacos possam se tornar transparentes para a luz em certos comprimentos de onda como o raio X. A técnica permite o controle da transmissão e da velocidade da luz e envolve interferência quântica.

O experimento consitui de duas finas camadas de ferro-57 no interior de uma cavidade óptica, um espaço formado por dois espelhos paralelos de platina, que forçam os raios X a ficar indo para a frente e para trás múltiplas vezes.

As duas camadas de átomos de ferro-57, cada uma com aproximadamente três nanômetros de espessura, são mantidas em uma posição muito precisa entre os dois espelhos de platina usando camadas de carbono, que é transparente para os raios X do comprimento de onda utilizado no experimento.

O sanduíche inteiro, medindo 50 nanômetros de espessura, recebe um feixe extremamente fino de raios X, disparado em um ângulo muito baixo. No interior da cavidade óptica a luz é refletida para frente e para trás várias vezes, gerando uma onda estacionária, uma ressonância.

O ferro se torna quase transparente para os raios-X quando o comprimento de onda da luz e a distância entre as duas camadas de ferro ficam em uma proporção precisa; uma camada de ferro deve estar exatamente no mínimo da ressonância de luz, e a outra exatamente no máximo.

Quando as camadas são deslocadas no interior da cavidade óptica o sistema torna-se imediatamente não transparente, o que permite o controle deste fenômeno, denominado efeito quântico óptico, causado pela interação dos átomos no interior das camadas de ferro.

Ao contrário do que ocorre nos átomos individuais, os átomos dentro de uma cavidade óptica absorvem e irradiam a luz em sincronia. Graças à geometria precisa deste experimento, suas oscilações cancelam-se mutuamente, o que faz com que o ferro se torne transparente.

A ilustração acima ajuda a entender o fenômeno, mostrando múltiplas imagens das duas camadas de ferro-57: a interação dos raios X com as duas camadas leva a um estado de superposição quântica do ferro e de suas imagens nos espelhos, que faz com que os átomos de ferro pareçam transparentes.

Em contraste com os experimentos anteriores com a transparência induzida eletromagneticamente, apenas alguns poucos fótons são necessários para gerar este efeito por intermédio dos raios X.

Pelo efeito da transparência induzida eletromagneticamente, com um laser intenso em uma determinada frequência é possível fazer com que um material não transparente se torne transparente para a luz de outra frequência. Esse efeito é promovido pela interação complexa da luz com a eletrosfera, onde estão os elétrons.

No laboratório de luz síncrotron do DESY, o grupo demonstrou que esse efeito também existe em raio X quando os raios são direcionados para o núcleo atômico do isótopo de ferro 57 (pelo método chamado de espectroscopia de Mössbauer), que compreende 2% do ferro que ocorre naturalmente no planeta.

“O resultado de alcançar a transparência no núcleo atômico é, em suma, o efeito da transparência induzida eletromagneticamente sobre o núcleo. Certamente que ainda há um longo caminho a percorrer até que o primeiro computador com luz quântica se torne realidade. Entretanto, com esse efeito fomos capazes de realizar uma classe completamente nova de experimentos de óptica quântica de alta sensibilidade”, disse Röhlsberger.

Segundo o cientista, a nova fonte de laser de raios X XFEL, que está sendo construída em Hamburgo, representa uma grande oportunidade de se conseguir controlar este método através dos raios X.

O grupo alemão também demonstrou outro paralelo do efeito da transparência induzida eletromagneticamente; onde a luz presa em uma cavidade óptica viaja a uma velocidade de apenas alguns metros por segundo. Normalmente a velocidade é a da luz, de cerca de 300 mil quilômetros por segundo.

Fonte: Nature

Átomo simula asteroides troianos de Júpiter

Físicos construíram um modelo preciso de uma parte do Sistema Solar no interior de um único átomo de potássio.

© Minor Planet Center (asteroides troianos)

A imagem acima mostra as órbitas dos planetas Mercúrio, Vênus, Terra, Marte e Júpiter (azul claro); asteroides do cinturão principal (pontos verdes); os "Near Earth Objects" (círculos em vermelho); os asteroides troianos (pontos azul escuro); e os cometas (quadrados em azul claro).

Eles fizeram com que um elétron orbitasse o núcleo do átomo exatamente da mesma forma que os asteroides troianos de Júpiter orbitam o Sol.

Os átomos são comumente representados como sistemas planetários, graças ao modelo criado por Niels Bohr em 1913.

© TU Vienna (modelo atômico de Bohr)

Contudo, apesar de o modelo de Bohr ser bem ilustrativo, a mecânica quântica estabelece que o elétron pode ser encontrado em muitos lugares, o que transforma sua órbita em um espaço grande, difuso e incerto.

Na física quântica, o elétron é definido como uma onda, ou uma "nuvem de probabilidades". Simplesmente não faz sentido perguntar qual é a "posição real" de um elétron, porque ele está situado em todas as direções possíveis ao redor do núcleo ao mesmo tempo.

Mas, os cientistas da Áustria e dos Estados Unidos descobriram que os átomos têm algo em comum não apenas com os sistemas planetários, mas com o nosso Sistema Solar em particular.

Mais especificamente, eles descobriram que um tipo especial de átomo pode simular os asteroides troianos de Júpiter, asteroides que viajam à frente e atrás do planeta, em pontos de equilíbrio gravitacional conhecidos como pontos de Lagrange.

Da mesma forma que Júpiter estabiliza a órbita dos seus asteroides troianos, a órbita dos elétrons ao redor do núcleo atômico pode ser estabilizada usando um campo eletromagnético.

No experimento, a influência estabilizadora da gravidade de Júpiter foi substituída por um campo magnético precisamente ajustado. O campo oscila precisamente com a frequência correspondente ao período orbital do elétron ao redor do núcleo.

Isso estabelece um ritmo para o elétron, de forma que o elétron-onda é mantido em um ponto específico por um longo tempo.

Com isto, o elétron pode até mesmo ser empurrado para outra órbita - mais ou menos como se os asteroides troianos de Júpiter fossem subitamente forçados a orbitar Saturno.

Para fazer isto, o grupo usou um raio laser para excitar o elétron mais externo do átomo de potássio para números quânticos - descritivos da "órbita" do elétron - entre 300 e 600, criando um átomo de Rydberg.

Isto significa que eles construíram um átomo gigante, eventualmente o maior átomo do mundo - o elétron orbita o núcleo a uma distância tão grande que o átomo inteiro ficou do tamanho de um ponto ".".

Os cientistas se entusiasmaram com o feito, e agora planejam preparar átomos com vários elétrons se movendo em órbitas planetárias ao mesmo tempo.

Isto permitirá que eles estudem como o mundo quântico dos objetos em escala atômica correspondem ao mundo clássico, como nós o percebemos com nossos sentidos.

"A zona de transição entre a mecânica quântica e a física clássica é a mais fascinante e menos compreendida fronteira da física," afirmou Joseph Eberly, membro da equipe.

Fonte: Physical Review Letters

A influência da gravidade no positrônio

Os cientistas David Cassidy e Allen Mills, da Universidade da Califórnia, irão produzir um experimento usando átomos de positrônio.

© UC (aparelho utilizado para produção do positrônio)

O positrônio é um átomo exótico, feito de matéria e de antimatéria: um elétron e um pósitron (anti-elétron) ligados um ao outro, mas sem um núcleo.

O pósitron é a antimatéria do elétron, tendo a mesma massa, mas com uma carga positiva. Se um pósitron se encontra com um elétron, os dois se aniquilam, emitindo dois fótons de raios gama.

O que os dois físicos fizeram foi separar ligeiramente o pósitron do elétron em um átomo de positrônio, de forma que essa partícula instável possa resistir à aniquilação por um tempo suficiente para seja possível fazer experiências com ele.

"Usando lasers, nós excitamos o positrônio para aquilo que é conhecido como estado de Rydberg, que torna muito fraca a coesão do átomo, com o elétron e o pósitron muito distantes um do outro," explica Cassidy.

Isso evita que os dois se destruam, dando tempo para que os cientistas façam os experimentos para estudar o comportamento da antimatéria em relação à gravidade.

No estado de Rydberg, o tempo de vida do positrônio aumenta por um fator que varia de 10 a 100.

Mas isto ainda não é suficiente, pois provavelmente são necessários de um fator de 10.000.

"Agora nós pretendemos usar essa técnica para dar um elevado momento angular para os átomos de Rydberg. Isso tornará ainda mais difícil para que os átomos decaiam, e eles poderão viver por até 10 milissegundos," explica Cassidy.

Então, finalmente será possível testar a influência da gravidade sobre a antimatéria, o que será feito observando o movimento do pósitron para ver se a gravidade está curvando esse movimento.

"Se nós descobrirmos que a antimatéria e a matéria não se comportam da mesma forma, será algo muito chocante para o mundo da física," diz o cientista.

A física atual considera que matéria e antimatéria se comportam basicamente do mesmo jeito.

"Esse pressuposto leva à consideração de que as duas deveriam ter sido criadas em quantidades iguais no Big Bang. Mas nós não vemos muita antimatéria no Universo," diz Cassidy.

Se a matéria atrai a antimatéria, então o Universo poderia ter desaparecido em um flash de raios gama logo depois de sua criação. Mas se a antimatéria "cai para cima", ou seja, se possui uma anti-gravidade, algo diferente poderia ter acontecido.

Ou seja, um comportamento desigual entre matéria e antimatéria poderia ser muito relevante, mas também poderia abrir caminhos para explicar a inexistência da antimatéria no Universo atual.

Fonte: Physical Review Letters

Criado primeiro laser de raios X atômico

Uma equipe alemã usou o mesmo laboratório que criou o laser de raios X para gerar o primeiro laser de raios X atômico, ou seja, emitido a partir do bombardeamento de átomos com raios X muito poderosos.

© SLAC (laser de raios X atômico)

A equipe do Grupo de Estudos Avançados do Instituto Max Planck usou o LCLS (Linac Coherent Light Source), uma fonte de raios X recém-inaugurada na Universidade de Stanford, nos Estados Unidos.

Os pulsos de raios X, cada um cerca de um bilhão de vezes mais intenso do que qualquer outro disponível anteriormente, arrancaram elétrons das camadas internas de átomos do gás nobre neônio, preso no interior de uma cápsula.

Quando outros elétrons saltam de suas camadas mais externas para preencher as lacunas, cerca de 1 átomo em cada 50 responde emitindo um fóton na faixa dos raios X, com um comprimento de onda extremamente curto.

Esses raios X secundários foram então "estimulados" na vizinhança de outros átomos de neon para que novos pulsos ultra-curtos de raios X fossem gerados. Isso criou um efeito em cascata que amplificou a luz de raios X secundária cerca de 200 milhões de vezes.

Como os pulsos assim emitidos são coerentes, a emissão forma um laser de raio X extremamente puro.

Esse novo tipo de laser pode ser aplicado para identificar os detalhes das reações químicas ou acompanhar moléculas biológicas em atividade.

Embora o laser de raios X anunciado anteriormente e o novo laser de raios X atômico sejam ambos lasers, eles emitem a luz de forma diferente e com características diferentes.

O LCLS arremessa elétrons de alta energia através de campos magnéticos alternados, gerando pulsos de raios X muito brilhantes e muito mais potentes.

Já o novo laser de raios X atômico, que havia sido previsto na teoria em 1967, tem apenas um oitavo do comprimento de onda e sua cor é muito mais pura.

Essas qualidades vão permitir que ele distinga detalhes ainda não conhecidos de reações químicas muito rápidas, como as da fotossíntese.

O laser de raio X atômico é o mais potente já feito até agora, capaz de esquentar a matéria até cerca de 2 milhões de graus Celsius, mais quente do que a coroa do Sol!

Fonte: Nature

Menor unidade de armazenamento magnético

Cientistas da IBM e do instituto de pesquisas alemão CFEL (Center for Free-Electron Laser) construíram atualmente a menor unidade de armazenamento magnético de dados.

© S. Loth/CFEL (leitura dos átomos com um microscópio eletrônico)

É uma unidade de armazenamento antiferromagnética, um tipo especial de magnetismo que foi usado agora pela primeira vez para armazenar dados.

A estrutura usa apenas 12 átomos por bit, comprimindo um byte inteiro (8 bits) em 96 átomos.

Para se ter uma ideia dessas dimensões, basta ver que um disco rígido moderno usa mais de meio bilhão de átomos por byte.

O feito foi divulgado apenas alguns dias depois que uma outra equipe descobriu que os chips de silício podem ser miniaturizados até a escala atômica.

A unidade armazenamento de dados nanométrica foi construída átomo por átomo, com a ajuda de um microscópio de varredura por tunelamento STM (Scanning Tunneling Microscope).

Os pesquisadores construíram padrões regulares de átomos de ferro, alinhando-os em fileiras de seis átomos cada. Duas linhas são suficientes para armazenar um bit. Um byte, por sua vez, é composto por oito pares de linhas de átomos. O byte inteiro ocupa uma área de 4 por 16 nanômetros.

"Isso corresponde a uma densidade de armazenamento que é 100 vezes maior em comparação com um disco rígido moderno," explica Sebastian Loth, do CFEL, responsável pela construção desses bits e bytes atômicos.

E é também 160 vezes mais denso do que uma memória flash, 417 vezes mais do que uma memória DRAM e 10.000 vezes mais denso do que uma SRAM.

Os dados são gravados e lidos com a ajuda do microscópio eletrônico.

Os pares de linhas de átomos têm dois estados magnéticos possíveis, representando os valores 0 e 1 de um bit clássico.

Um pulso elétrico emitido pela ponta do STM inverte a configuração magnética de um estado para o outro, fazendo a gravação. Um pulso mais fraco permite ler a configuração.

Os nanomagnetos são estáveis apenas a uma temperatura de -268º C (5 Kelvin).

Apesar disso, os pesquisadores esperam que conjuntos de cerca de 200 átomos sejam estáveis a temperatura ambiente.

De qualquer forma, ainda vai demorar algum tempo antes que ímãs atômicos possam ser usados de forma prática no armazenamento de dados.

Pela primeira vez, os pesquisadores conseguiram empregar uma forma especial de magnetismo, o antiferromagnetismo, para o armazenamento de dados.

Diferente do que ocorre no ferromagnetismo, que é usado nos discos rígidos convencionais, no material antiferromagnético os spins dos átomos vizinhos são alinhados em posições opostas, o que torna o material magneticamente neutro em macroescala.

Isto significa que as linhas de átomos antiferromagnéticas podem ser colocadas muito mais próximas umas das outras, sem interferir magneticamente entre si; os bits foram colocados a apenas um nanômetro de distância uns dos outros.

Ao contrário dos materiais ferromagnéticos, os materiais antiferromagnéticos são relativamente insensíveis a campos magnéticos, permitindo que as informações sejam guardadas de forma mais densa.

Neste experimento, a equipe não apenas construiu a menor unidade de armazenamento magnético de dados, como também criou uma plataforma de testes ideal para a transição da física clássica para a física quântica.

Como é que um ímã se comporta nesta fronteira?

Fonte: Science

Lei de Ohm em escala atômica

Uma nova técnica para a incorporação de fios em escala atômica dentro de cristais de silício, revelou que a lei de Ohm pode ser considerada verdadeirs para condutores com apenas quatro átomos de espessura e um átomo de altura.

© Bent Weber (microscópio mostra fio em escala atômica)

O resultado é uma surpresa, porque a sabedoria convencional sugere que os efeitos quânticos devem causar grandes desvios da lei de Ohm para tal fios minúsculos. Paradoxalmente, os pesquisadores esperam que a descoberta venha ajudar no desenvolvimento de computadores quânticos.
O tamanho dos transistores e outros dispositivos estão se aproximando da escala atômica nos chips baseados em silício. Além dos desafios tecnológicos na fabricação de novos componentes, muitos físicos estão preocupados que a imprecisão inerente à mecânica quântica, em breve tornarão as leis clássicas aplicadas aos dispositivos eletrônicos estarão obsoletas.
Para investigar a condução na escala atômica, Michelle Simmons, Bent Weber e seus colegas da Universidade de New South Wales na Austrália, desenvolveram um método que usa átomos de fósforo que são incorporados atomicamente em finas regiões dentro de um cristal de silício. O fósforo tem um elétron a mais em sua camada externa do que o silício, e se um átomo de silício é substituído por um átomo de fósforo (um processo chamado de p-doping), ele doa um elétron livre para o cristal, aumentando assim a condutividade da região dopada.
A equipe de Simmons usa a ponta de um microscópio de varredura por sonda para criar um canal no silício através da remoção de camadas de átomos. A superfície é então exposta ao gás de fósforo, seguido pela deposição de átomos de silício. O resultado é uma cadeia de átomos de fósforo incorporado dentro de um cristal de silício - um fio de forma atômica. A equipe descobriu que a resistividade dos fios foi constante até em escala atômica. Isto significa que a resistência de um fio é proporcional ao seu comprimento e inversamente proporcional à sua área, assim como você esperaria da lei de Ohm!
As técnicas usadas para criar os fios não podem atualmente ser implantadas em processos industriais, mas acredita-se que é uma demonstração importante de que a miniaturização da eletrônica clássica pode continuar por vários anos. Empresas como a Intel tem se preocupado em fazer seus dispositivos tão pequenos que tornam a mecânica quântica evidente em seu comportamento. O comprimento de porta do transistor atualmente são cerca de 22 nm, que é cerca de 100 vezes o espaçamento dos átomos de silício individual.

O grupo de Simmons, no entanto, não está interessado na eletrônica convencional e em vez disso está trabalhando para o desenvolvimento de computadores quânticos. A equipe espera usar átomos de fósforo individuais como bit quântico, ou qubits.

"Cinco anos atrás, havia muitas barreiras potenciais para o desenvolvimento computador quântico baseado no fósforo. No momento eu acho que o grande desafio para a computação quântica é fazer um sistema escalável. Certamente esses fios são muito úteis para esse objetivo ", diz Simmons.

Fonte: Science