Prêmio Nobel de Física: ondas gravitacionais

O Prêmio Nobel da Física de 2017 foi concedido hoje ao alemão Rainer Weiss e aos americanos Barry C. Barish e Kip S. Thorne pela criação, nos anos 1990, do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO), nos Estados Unidos, que permitiu a detecção de ondas gravitacionais pela primeira vez na História.

© Johan Jarnestad (detectando ondas gravitacionais)

Rainer Weiss nasceu em Berlim, na Alemanha, em 1932, ele é pesquisador do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, nos Estados Unidos. Barry C. Barish nasceu em 1936, em Omaha, no estado americano de Nebraska, e atua no Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech), em Pasadena. Kip S. Thorne nasceu em 1940, em Logan, no Utah, e também atua no Caltech.

Os cientistas laureados forneceram decisivas contribuições ao detector LIGO e à observação de ondas gravitacionais. As ondas gravitacionais foram previstas por Albert Einstein em sua Teoria Geral da Relatividade, publicada há cem anos, mas extremamente sutis, elas pareciam impossíveis de serem detectadas.

A observação das ondas gravitacionais no Universo só aconteceu no dia 14 de setembro de 2015, no LIGO. Naquela data, os cientistas finalmente detectaram as tênues vibrações emitidas por dois buracos negros que giram um ao redor do outro, a 1,3 bilhão de anos-luz da Terra. A descoberta foi divulgada no dia 11 de fevereiro de 2016. O sinal foi extremamente fraco quando chegou à Terra, mas já prometeu uma revolução na astrofísica. As ondas gravitacionais são uma maneira totalmente nova de observar os eventos mais violentos no espaço e testar os limites do nosso conhecimento.

Antes da façanha, os físicos sempre utilizaram o espectro eletromagnético para fazer suas descobertas. Mas o experimento provou que também é possível estudar o Universo a partir de outros tipos de ondas existentes. A partir dali, os cientistas se convenceram de que, se é possível detectar ondas gravitacionais, talvez seja possível descrever fenômenos que não emitem ondas eletromagnéticas suficientemente significativas para serem observadas.

A existência das ondas gravitacionais passou a ser concebida quando, no final dos anos 1950, estudos demonstraram que as ondas carregavam energia; e, por isso, poderiam ser mensuráveis.

Em 1970, os astrônomos Joseph Taylor e Russel Hulse mostraram que as estrelas giravam ao redor delas mesmas e, com isso, perdiam energia. Esta energia perdida seria uma indicação da existência das ondas gravitacionais. Por esse achado, Taylor e Hulse foram laureados com o Nobel de Física de 1993.

Entretanto, estas demonstrações eram indicações indiretas das ondas gravitacionais. A evidência direta do fenômeno só viria depois de um imenso esforço, uma vez que não seria fácil provocar alterações no espaço-tempo.

Em meados da década de 1970, Rainer Weiss já havia analisado possíveis fontes de ruído de fundo que perturbariam as medidas e também desenharam um detector, um interferômetro a laser, que superaria este ruído. No começo, tanto Kip S. Thorne quanto Rainer Weiss estavam firmemente convencidos de que as ondas gravitacionais podiam ser detectadas e provocavam uma revolução no nosso conhecimento do Universo.

"Antes nós víamos o Universo. Agora, nós começamos a ouvi-lo”, disse Thorne.

As ondas gravitacionais se espalham à velocidade da luz, preenchendo o Universo. Elas sempre são criadas quando uma massa acelera, como os rodopios de um patinador de gelo ou um par de buracos negros girando um em torno do outro. O físico Albert Einstein estava convencido de que nunca seria possível mensurá-las. A realização do projeto LIGO foi usar um par de interferômetros a laser gigantes para medir uma mudança milhares de vezes menor do que um núcleo atômico, quando a onda gravitacional passar pela Terra.

Apesar do importante papel dos três laureados na descoberta das ondas gravitacionais, as pesquisas tiveram participação de mais de mil cientistas de mais de vinte países, incluindo grupos brasileiros liderados por Odylio Aguilar, do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), e por Riccardo Sturani, do Centro Internacional de Física Teórica, da Universidade Estadual Paulista (Unesp).

O Instituto Karolinska anunciou em setembro um reajuste de 12% no valor dos prêmios Nobel, que permanecia o mesmo desde 2012: 8 milhões de coroas suecas, o equivalente a cerca de US$ 981 mil, ou R$ 3,1 milhões. Os vencedores de 2017 receberão 9 milhões de coroas, o que significa US$ 1,1 milhão, ou cerca de R$ 3,5 milhões.

Até agora, todos os tipos de radiação e partículas eletromagnéticas, como os raios cósmicos ou os neutrinos, foram utilizados para explorar o Universo. No entanto, as ondas gravitacionais são testemunho direto de interrupções no espaço-tempo. Isso é algo completamente novo e diferente, abrindo mundos invisíveis. Muitas descobertas prosperarão das ondas gravitacionais, propiciando interpretar suas mensagens.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Raios cósmicos têm origem extragaláctica

Pesquisadores participantes da colaboração Pierre Auger descobriram que, acima de um determinado nível de energia, estas partículas, que são as mais energéticas da natureza e atingem constantemente a atmosfera terrestre, têm origem extragaláctica.

© Pierre Auger (cascatas de partículas geradas por raios cósmicos)

A colaboração Pierre Auger, o maior observatório do mundo dedicado ao estudo e à detecção de raios cósmicos, está localizado na província de Mendoza, na Argentina. O observatório possui esta denominação em homenagem ao físico francês Pierre Auger (1899-1992).

“A chance de essa conclusão ser fruto do acaso é de dois em 100 milhões,” disse Carola Dobrigkeit Chinellato, professora do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas (IFGW-Unicamp) e presidente da comissão brasileira no Observatório Pierre Auger.

A partir de dados registrados pelo Observatório entre janeiro de 2004 e agosto de 2016, os pesquisadores observaram que raios cósmicos ultraenergéticos, acima de 8 x 10¹⁸ eV (elétrons-volts) chegam em maior número à Terra vindos de um lado do céu.

Esta região no céu de onde vêm mais raios cósmicos ultraenergéticos coincide com a localização de grande parte das galáxias vizinhas da Via Láctea, em um raio de até 700 mil anos-luz.

Esta é uma forte evidência de que os raios cósmicos de altas energias vêm de fora da Via Láctea.

De acordo com os pesquisadores participantes da colaboração, a descoberta contribui não apenas para entender a origem destas partículas ultraenergéticas, como também os mecanismos cósmicos capazes de imprimir tamanha energia a estas diminutas entidades subatômicas, que podem viajar a distâncias de trilhões de quilômetros (anos-luz) através do espaço e chegar à Terra carregando energias extremas.

Núcleos atômicos leves como o do hidrogênio ou pesados como o do ferro, os raios cósmicos chegam à Terra vindos do espaço, a todo instante.

O fluxo destas partículas subatômicas para a Terra, contudo, diminui abruptamente conforme a energia aumenta. As de energia acima de 10¹⁸ eV, denominadas ultraenergéticas, como a que os pesquisadores detectaram agora, aparecem na Terra com uma frequência de 1 partícula por quilômetro quadrado (km²) por ano.

Por este motivo, a origem e os mecanismos cósmicos de produção destes raios cósmicos ultraenergéticos, conhecidos há mais de 50 anos, continuam sendo um mistério.

A fim de identificar indícios da origem destas partículas subatômicas de mais alta energia, os pesquisadores membros da colaboração Pierre Auger têm estudado a distribuição de suas direções de chegada à Terra.

Ao atingirem a atmosfera terrestre, a cerca de 10 km a 20 km de altitude, os raios cósmicos ultraenergéticos colidem com núcleos atômicos do ar, como de nitrogênio e oxigênio.

Estas colisões geram centenas ou milhares de outras partículas que seguem rumo ao solo, quase à velocidade da luz (de cerca de 300 mil km por segundo), na forma de cascatas de partículas, chamadas de “chuveiro atmosférico extenso”.

As partículas carregadas no chuveiro excitam as moléculas de nitrogênio no ar, produzindo uma tênue luz azul, que é captada por telescópios de fluorescência do Observatório Pierre Auger durante noites claras.

As partículas também são registradas por 1.660 detectores de superfície do observatório. Espalhados por uma área de 3 mil km², em uma região plana ao lado dos Andes, os detectores, que operam ininterruptamente, consistem em tanques de polietileno, preenchidos com 12 mil litros de água ultrapurificada e instrumentalizados com sensores fotomultiplicadores.

Quando as partículas de um chuveiro atmosférico atravessam a água no interior do tanque é emitida luz, chamada radiação Cherenkov, que pode ser medida nos sensores.

Com base na análise destes dois tipos de luz, entre outros dados, é possível extrair diversas informações sobre o raio cósmico (dito primário) que iniciou a cascata de partículas no alto da atmosfera.

Fonte: Science

Arapuca para detectar fótons

O Arapuca é um equipamento que está em análise e tem grande chance de ser adotado como um dos principais componentes do sistema de fotodetecção do Dune (Deep Underground Neutrino Experiment).

© Fermilab (ilustração da interação neutrino e antineutrino)

O Arapuca foi concebido para detecção de fótons pelos cientistas Ettore Segreto, professor do Instituto de Física Gleb Wataghin, da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp) e Ana Amélia Bergamini Machado, professora do Centro de Ciências Naturais e Físicas, da Universidade Federal do ABC (UFABC).

O Arapuca é uma espécie de armadilha para capturar a luz. Um dos desafios para o sistema de fotodetecção do Dune é que os tanques de argônio onde deverão ocorrer as cintilações são muito grandes e os sensores de luz disponíveis são muito pequenos. Em particular, os sensores de silício que serão utilizados têm uma superfície coletora da ordem de apenas 1 cm². A função do Arapuca é aumentar a área de coleta e aprisionar os fótons coletados dentro de uma caixa, para disponibilizá-los aos sensores.

A interação das partículas geradas pelos neutrinos com o argônio líquido dos grandes tanques produz luz com comprimento de onda de 128 nanômetros. Por meio de um filtro, o comprimento de onda é modificado para 350 nanômetros. Como a janela do Arapuca é transparente para este comprimento de onda, os fótons conseguem entrar. Porém, uma vez lá dentro, um segundo filtro é usado para fazer o comprimento de onda retornar aos 128 nanômetros. E os fótons não conseguem sair, porque a janela é opaca para este comprimento de onda. Aprisionados, eles ficam ricocheteando nas paredes altamente reflexivas da caixa, até serem captados pelos sensores colocados no interior.

Estes filtros, chamados genericamente de deslocadores de comprimento de onda, são constituídos por materiais orgânicos (hidrocarbonetos policíclicos aromáticos) que absorvem fótons em uma banda de frequências e os reemitem em outra. No caso, serão utilizados o para-terfenilo e o tetrafenil butadieno. O Arapuca já foi incorporado ao sistema de fotodetecção do ProtoDune, um protótipo em grande escala do Dune, que está sendo construído e deverá entrar em operação no CERN (European Organization for Nuclear Research) em outubro de 2018. Responsáveis pelo sistema de fotodetecção do ProtoDune, Segreto e Machado encontram-se atualmente no CERN.

A função do ProtoDune é testar todas as soluções tecnológicas que serão utilizadas posteriormente no Dune. O teste não será feito com neutrinos, mas com um feixe de partículas eletricamente carregadas, produzidas por um dos aceleradores do CERN, e apontadas para um detector com cerca de mil toneladas de argônio líquido. Já o Dune utilizará, no total, 70 mil toneladas de argônio líquido, 40 mil das quais comporão o tanque de detecção propriamente dito.

Resumidamente, o acelerador do Fermilab produzirá o mais poderoso feixe de neutrinos já estudado. Este feixe será detectado duas vezes: primeiro, bem perto da fonte, no próprio Fermilab, no estado de Illinois; depois, a 1.300 quilômetros da fonte, no estado de South Dakota.

O segundo detector é o gigante preenchido por 70 toneladas de argônio, mantido em estado líquido por uma refrigeração a –184 ºC. O que ele registrará serão os chuveiros de partículas e luz produzidos quando os neutrinos superenergéticos arrancarem de suas órbitas elétrons dos átomos de argônio. Um dos principais alvos do Dune é comparar, por meio das duas detecções, os padrões de oscilação dos neutrinos e dos antineutrinos. Se estes padrões não forem rigorosamente simétricos, isso fornecerá uma prova concreta da “violação de simetria de carga-paridade” (CPV).

A CPV é um ingrediente fundamental do chamado modelo padrão. E explica por que um Universo que, no início, possuía quantidades idênticas de matéria e antimatéria se transformou em um Universo no qual a matéria é amplamente predominante. Se a composição tivesse se mantido rigorosamente simétrica, matéria e antimatéria teriam se aniquilado. Mas, de acordo com o modelo, a violação de simetria gerou um pequeno excedente de matéria em relação à antimatéria. E foi este excedente que resultou no Universo material.

Além da violação de simetria, os pesquisadores da colaboração internacional esperam poder registrar também, no gigantesco tanque de argônio, um outro fenômeno, que não depende dos neutrinos: o decaimento do próton, previsto pela teoria, porém jamais observado. Se isso ocorrer, e há grande expectativa de que ocorra, o experimento terá proporcionado uma prova empírica da capacidade preditiva de modelos supersimétricos que buscam unificar três das quatro interações conhecidas: eletromagnética, nuclear forte e nuclear fraca.

O terceiro alvo do experimento é o aprimoramento de modelos acerca da formação de estrelas de nêutrons e buracos negros, mediante a observação de neutrinos provenientes do colapso de supernovas.

Fonte: Fermilab

Como detectar ondas gravitacionais com hélio

As ondas gravitacionais de pulsares próximos poderiam ser detectadas usando apenas alguns quilogramas de hélio ⁴He superfluido, de acordo com físicos nos EUA.

© Chandra (pulsar Vela)

A imagem acima mostra a evolução temporal do vento do pulsar Vela observado na faixa de energia espectral de 0,5 a 8 keV.

Seu detector, que ainda não foi construído, poderia medir ondas sonoras no superfluido causadas por ondas gravitacionais na faixa de 0,1 a 1,5 kHz.

As ondas gravitacionais são ondulações no espaço-tempo que são criadas quando objetos massivos são acelerados sob certas condições. A primeira detecção de ondas gravitacionais foi feita em 2015, quando o observatório Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) detectou um sinal de um buraco negro binário coalescente. Mais duas ondas gravitacionais já foram detectadas pela LIGO, ambas associadas a buracos negros binários.

O LIGO é um detector de banda larga que pode captar sinais na faixa de 10 Hz a 5 kHz. É particularmente propício para detectar sinais transitórios associada aos buracos negros coalescentes.

Swati Singh do Williams College, Laura DeLorenzo e Keith Schwab do Caltech e Igor Pikovski da Universidade de Harvard querem construir um detector que possa se concentrar em uma banda de frequência relativamente estreita para detectar ondas gravitacionais de pulsares.

Um pulsar é uma estrela de nêutrons de rotação rápida que deverá transmitir continuamente ondas gravitacionais a uma frequência específica na faixa de 1 Hz a 1 kHz, com a frequência dependendo das características físicas do pulsar. Ao fazer uma medição de banda estreita durante um longo período de tempo, um sinal de ruído muito baixo de um pulsar poderia, em princípio, ser detectado.

Este detector compreende vários quilogramas de hélio superfluido mantido em um recipiente cilíndrico que é acoplado em um ressonador micro-ondas supercondutor. Confinamento no recipiente significa que o superfluido ressoará com ondas de som em determinadas frequências, assim como um instrumento musical.

Esta ressonância acústica também significa que o superfluido deve atuar como uma antena que é sintonizada para detectar ondas gravitacionais em frequências específicas. Quando tal onda gravitacional viaja através do detector, criaria um campo de tensão que produziria ondas sonoras no hélio. O ressonador de micro-ondas converteria essas ondas em um sinal mensurável.

Embora outros tenham tentado fazer estas antenas usando barras de metal, a equipe diz que o hélio superfluido oferece vários benefícios, incluindo o fato de que a frequência do detector pode ser alterada ajustando a pressão do hélio.

Calcula-se que usando a tecnologia de transdutor de micro-ondas de última geração, o detector poderia medir sinais de certos tipos de pulsares depois de alguns meses.

Fonte: New Journal of Physics

Forças de Van Der Waals se repelem?

As interações de Van Der Waals entre as moléculas estão entre as forças mais importantes na biologia, física e química, determinando as propriedades e o comportamento de muitos materiais.

© U. Basel (forças Van der Waals entre átomos de xenônio e gás)

Há muito tempo, os cientistas consideram que estas interações entre as moléculas seriam sempre de atração. Agora, pesquisadores Mainak Sadhukhan e Alexandre Tkatchenko da Universidade de Luxemburgo descobriram que, em muitas situações bastante comuns e na maioria das situações práticas, a força de Van der Waals entre duas moléculas torna-se repulsiva quando ocorrem sob confinamento. Isso pode levar a uma mudança de paradigma nas interações moleculares. 

A força de Van der Waals foi explicada pela primeira vez pelo físico alemão-americano Fritz Wolfgang London, em 1930. Usando a mecânica quântica, ele demonstrou a natureza puramente atrativa da força de Van der Waals para quaisquer duas moléculas que interagissem no espaço livre. Entretanto, na natureza, as moléculas na maioria dos casos interagem em espaços confinados, como células, membranas, nanotubos, etc. Nesta situação particular, as forças de Van der Waals tornam-se repulsivas a grandes distâncias entre moléculas.

Agora, Mainak Sadhukhan desenvolveu um novo método de mecânica quântica que lhes permitiu modelar as forças de Van der Waals em confinamento.

A nova teoria permite, pela primeira vez, uma interpretação de muitos fenômenos interessantes observados para moléculas em confinamento.

A descoberta deverá ter muitas implicações potenciais para a entrega de moléculas de fármacos on interior de células, a dessalinização, o transporte de água e automontagem de camadas moleculares em dispositivos fotovoltaicos.

O grupo de pesquisa do professor Tkatchenko está trabalhando em métodos que modelam as propriedades de uma ampla gama de interações intermoleculares. Somente em 2016, eles descobriram que a verdadeira natureza destas forças Van der Wals difere do conhecimento convencional em química e biologia, pois elas devem ser tratados como acoplamento entre as ondas e não como atração mútua (ou repulsão) entre as partículas. 

Um artigo sobre a descoberta foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: University of Luxembourg

Uma nova partícula com dois quarks pesados

Hoje, na EPS Conferência sobre Física de Alta Energia em Veneza, o experimento do LHCb no Large Hadron Collider (LHC) do CERN relatou a observação de Ξ_cc⁺⁺  (Xi_cc⁺⁺) uma nova partícula contendo dois quarks charm e um quark up.

© CERN (nova partícula com dois quarks pesados e um leve)

A existência desta partícula da família dos bárions era esperada pelas teorias atuais, mas os físicos têm procurado estes bárions com dois quarks pesados ​​por muitos anos. A massa da partícula recém-identificada é de cerca de 3,621 GeV, que é quase quatro vezes mais pesada que o bárion mais familiar, o próton, uma propriedade que surge de seu conteúdo de dois quarks charm. É a primeira vez que esta partícula foi detectada inequivocamente.

Quase toda a matéria que vemos ao nosso redor é feita de bárions, que são partículas comuns compostas por três quarks, os mais conhecidos sendo prótons e nêutrons. Mas existem seis tipos de quarks existentes, e teoricamente, muitas combinações potenciais diferentes podem formar outros tipos de bárions. Os bárions observados até agora são todos feitos, no máximo, com um quark pesado.

Encontrar um bárion de quark pesado é de grande interesse, pois proporcionará uma ferramenta única para investigar ainda mais a cromodinâmica quântica, a teoria que descreve a interação forte, uma das quatro forças fundamentais.

Em contraste com outros bárions, em que os três quarks oscilam um em torno do outro, espera-se que um bárion duplamente pesado atue como um sistema planetário, onde os dois quarks pesados ​​desempenham a função de estrelas pesadas orbitando uma em torno da outra, com o quark mais leve orbitando em torno deste sistema binário.

Medir as propriedades do Ξ_cc⁺⁺ ajudará a estabelecer como um sistema de dois quarks pesados ​​e um quark leve se comporta. Podem ser obtidos pontos de vista importantes, medindo precisamente os mecanismos de produção, decaimento e a vida útil desta nova partícula.

A observação deste novo bárion provou ser desafiadora e foi possível devido à alta taxa de produção de quarks pesados ​​no LHC e às capacidades únicas do experimento LHCb, que pode identificar os produtos de decaimento com excelente eficiência. O bárion Ξ_cc⁺⁺  foi identificado através de seu decaimento em um bárion Λ_c⁺ e três mésons mais leves K^-, π⁺ e π⁺.

A observação do Ξ_cc⁺⁺ no LHCb aumenta as expectativas para detectar outros representantes da família de bárions duplamente pesados. Eles serão agora procurados no LHC.

Um artigo relatando estas descobertas foi submetido ao periódico Physical Review Letters.

Fonte: European Organization for Nuclear Research

Incorporando flutuações quânticas na entropia

A termodinâmica clássica nasceu, na primeira metade do século XIX, no rastro da revolução industrial, voltada para a otimização de máquinas e focada no cálculo de grandezas como trabalho útil, energia dissipada e eficiência.

© Revista Física (entrelaçamento quântico)

De acordo com a segunda lei da termodinâmica, a energia mecânica pode ser completamente convertida em energia térmica, mas a energia térmica não pode ser completamente convertida em energia mecânica. Dessa assimetria, que impõe um sentido aos processos materiais e por decorrência escoaria rumo a configurações de energia cada vez menos organizadas, surgiu o conceito de entropia com o físico alemão Rudolf Clausius, que se refere à parcela do calor que não pode mais ser transformada em trabalho, e, portanto, ao grau de irreversibilidade do sistema.

É possível estender os conceitos macroscópicos da termodinâmica à escala atômica ou subatômica? O que mudaria se fosse construído um motor com um único átomo? Como as leis termodinâmicas seriam afetadas pela mecânica quântica? Estas foram as cogitações que nortearam o estudo dos pesquisadores brasileiros Jader Pereira dos Santos (Universidade Federal do ABC), Gabriel Teixeira Landi (Universidade de São Paulo) e Mauro Paternostro (Queen’s University Belfast, Reino Unido). 

A aproximação da termodinâmica com a mecânica quântica é bem recente, algo das últimas décadas, quando se tornou possível exercer um controle muito fino na manipulação de átomos e, literalmente, construir motores em escala atômica. Apesar do estudo tratar de questões de física fundamental, de conhecimento puro, é possível visualizar diversas aplicações em sistemas microscópicos, como nanodispositivos, computação, criptografia e comunicação quânticas.

Os pesquisadores focalizaram especificamente na produção de entropia, isto é, da medida da irreversibilidade, em contextos quânticos, para a qual não havia, antes, uma teoria bem estabelecida. Existiam teorias muito boas para medir a irreversibilidade no contexto clássico, isto é, na escala macroscópica. Mas não existiam teorias que permitissem medir quão irreversível era um processo quântico. As teorias anteriores, propostas com tal objetivo, apresentavam várias lacunas, várias incompletudes. Isso se devia, basicamente, ao fato de terem sido concebidas para sistemas clássicos e não para sistemas quânticos.

Sabe-se, conforme a primeira lei da termodinâmica, que a energia de um sistema fechado é conservada. Mas, conforme a segunda lei da termodinâmica, a entropia tende sempre a aumentar. Isso porque a irreversibilidade faz com que, a cada transformação, a energia se reconfigure de forma menos organizada. Pode-se falar em degradação da energia e definir entropia como a medida desse aumento espontâneo da desordem.

O objetivo dos pesquisadores, com seu estudo puramente teórico, foi incorporar as contribuições quânticas ao processo. A ideia é que todo sistema apresenta, simultaneamente, dois tipos de flutuações: as flutuações térmicas, que advêm da agitação exterior das partículas, e as flutuações quânticas, que são um fenômeno intrínseco. Em altos patamares de energia, como aqueles obtidos em laboratório nos colisores de partículas, as flutuações quânticas são responsáveis pela criação e aniquilamento de pares de partículas e antipartículas. Mas tais flutuações ocorrem também em baixos patamares de energia, e, idealmente, até mesmo no zero absoluto. Nos processos macroscópicos, as flutuações térmicas são em geral mais importantes. Porém há situações em que as flutuações quânticas predominam e contribuem de forma mais significativa para a entropia.

A termodinâmica clássica trabalhou exclusivamente com as flutuações térmicas. Mas na escala atômica e subatômica, onde a física quântica se torna necessária para a descrição dos fenômenos, a desordem decorrente das flutuações quânticas precisa ser considerada e computada. Segundo a mecânica quântica, mesmo que um sistema se encontre em um estado ideal no qual não exista qualquer agitação térmica, ou seja, um estado definido como zero absoluto, ainda assim ele apresentará uma tendência implícita à desordem devido a flutuações quânticas, associadas ao Princípio da Incerteza, de Werner Heisenberg.

Segundo o Princípio da Incerteza, variáveis complementares, como por exemplo a posição e o momento linear, não podem ser determinadas de forma precisa ao mesmo tempo. A incerteza manifesta-se, por exemplo, na dualidade partícula-onda. Devido ao comportamento ondulatório, o objeto não pode ser perfeitamente localizado no espaço. E apresenta-se ao observador como que esparramado, podendo flutuar entre várias posições possíveis.

O Prêmio Nobel de Física de 1963, Eugene Wigner, apresentou uma interpretação probabilística da mecânica quântica. A chamada função de Wigner considera tanto as flutuações térmicas quanto as flutuações quânticas. Trabalhando com a função de Wigner, os pesquisadores conseguiram reformular a teoria de irreversibilidade, de modo a incorporar as flutuações quânticas ao conceito de entropia. Eles definiram a entropia como a desordem associada à distribuição estatística descrita pela função de Wigner. A partir dessa definição, a construção de uma nova teoria e sua aplicação a sistemas quânticos seguiu naturalmente.

A grande novidade foi que os resultados obtidos podem ser aplicados mesmo em sistemas a zero kelvin. Até o estudo em pauta, não havia repertório teórico capaz de explicar o efeito das flutuações quânticas no aumento da entropia no zero absoluto. Embora a temperatura zero nunca seja alcançada na prática, pode haver situações, inclusive em laboratório, de temperaturas suficientemente baixas, da ordem de alguns kelvins, nas quais as flutuações quânticas se tornem mais importantes do que as flutuações térmicas. Em sistemas de óptica quântica, envolvendo lasers, até mesmo em temperatura ambiente as flutuações quânticas podem ser dominantes.

O estudo possibilitará aplicações em comunicação, por meio de luz. A ideia é usar o conceito de irreversibilidade para quantificar perdas em processos de comunicação por fibra óptica. Além da perda de energia, existe também a perda de coerência da luz. O formalismo utilizado é capaz de dar conta de todos esses tipos de perda.

Outro foco de interesse é a propriedade do emaranhamento. O processo de emaranhamento ocorre quando pares ou grupos de partículas são gerados ou interagem de tal maneira que o estado quântico de cada partícula não pode mais ser descrito independentemente, já que depende do conjunto. A manutenção do emaranhamento é essencial para a computação quântica. Mas a interação do sistema com o ambiente produz perda de emaranhamento.

Fonte: Physical Review Letters

Detectado produção de partículas estranhas

A colaboração internacional ALICE (A Large Ion Collider Experiment) noticiou uma produção abundante de hádrons dotados de quarks estranhos em colisões próton-próton realizadas no LHC (Large Hadron Collider), o grande colisor de partículas localizado na fronteira franco-suíça.

© CERN/LHC (partículas formadas em colisão de núcleos de chumbo)

Foi a primeira vez que estes objetos, observados com crescente frequência nas colisões de núcleos pesados (chumbo-chumbo, ouro-ouro), foram detectados em tão grande abundância também no choque de partículas tão leves quanto o próton.

O estudo teve a participação decisiva de pesquisadores brasileiros, especialmente de David Dobrigkeit Chinellato, do Instituto de Física Gleb Wataghin da Universidade Estadual de Campinas, que atuou como coordenador internacional de um dos grupos de trabalho de física do ALICE, o grupo “Light Flavour”. Chinellato é apoiado pela FAPESP por meio do projeto “Produção de estranheza em colisões Pb-Pb na energia de 5,02 TeV no ALICE”.

A produção abundante de hádrons com quarks estranhos é considerada uma espécie de assinatura do plasma de quarks e glúons, um estado extremamente quente e denso da matéria que teria existido durante uma diminuta fração de segundo após o Big Bang e que agora está sendo recriado nos dois grandes colisores de partículas da atualidade, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), nos Estados Unidos.

“A grande novidade foi observar esta produção abundante de hádrons com quarks estranhos na colisão de sistemas tão pequenos quanto os prótons,” comentou o físico Alexandre Alarcon do Passo Suaide, do Instituto de Física da Universidade de São Paulo (USP), pesquisador principal do projeto temático “Física nuclear de altas energias no RHIC e LHC”.

A evidência de hádrons com quarks estranhos nas colisões próton-próton, veiculada agora pela colaboração ALICE, sugere que o plasma de quarks e glúons possa ser produzido também no choque destas partículas muito pequenas, e não apenas na colisão de núcleos pesados, chumbo-chumbo (no LHC) ou ouro-ouro (no RHIC), como já se admitia. Mas os pesquisadores consideram prematuro afirmar isso de maneira taxativa.

Esta cautela se justifica, entre outros motivos, pelo fato de o plasma de quarks e glúons não poder ser observado diretamente. Ele é extremamente efêmero. E, nos experimentos realizados no LHC e no RHIC, seu suposto tempo de duração é da ordem de 10^-23s, o que impossibilita qualquer observação direta. O que os pesquisadores de fato observam são os objetos que se formam depois que os quarks e os glúons deixam de se movimentar livremente no plasma e voltam a ser encapsulados em hádrons. O experimento é operado a partir de uma sala de controle informatizada, localizada acima da superfície, enquanto o colisor propriamente dito, com 27 quilômetros de circunferência e quatro detectores (ATLAS, CMS, ALICE e LHCb), fica no subterrâneo, a 175 metros abaixo do nível do solo.

O conceito de “estranheza” foi proposto, nos anos 1950, por Murray Gell-Mann, Abraham Pais e Kazuhiko Nishijima, para caracterizar a propriedade que fazia com que certas partículas sobrevivessem por mais tempo do que o esperado. A estranheza, simbolizada pela letra “S”, maiúscula, é uma propriedade física, expressa por meio de um número quântico.

O conceito de quark surgiu mais tarde, já na década de 1960, proposto independentemente por Murray Gell-Mann e George Zweig. E, ao longo dos anos, vários tipos de quarks foram descobertos. Um deles recebeu o nome de “estranho” [strange, em inglês], pelo fato de sua existência oferecer uma explicação para a propriedade da estranheza. O estranho passou a ser simbolizado pela letra “s”, minúscula. É um dos seis quarks reconhecidos pelo Modelo Padrão da Física de Partículas: up [u], down [d], charm [c], strange [s], top [t] e bottom [b]. Sua massa é várias vezes maior do que as do up e do down, que compõem os prótons e os nêutrons.

Os “hádrons estranhos” são partículas maiores, que recebem este nome por conterem ao menos um quark estranho. São objetos fugazes como o Káon, o Lâmbda, o Xi e o Ômega, que se tornaram comuns nos experimentos envolvendo colisões de núcleos pesados, chumbo-chumbo e ouro-ouro.

“Desde os anos 1980, a abundância relativa de hádrons estranhos tem sido apontada como uma possível assinatura da formação do plasma de quarks e glúons em colisões centrais de núcleos pesados. O que o novo estudo mostrou foi que estes objetos também são produzidos em grande abundância em colisões próton-próton quando há uma grande multiplicidade de partículas formadas. A grande multiplicidade de partículas formadas é um indicador do alto patamar de energia alcançado no choque, aproximando-se daquilo que se observa nas colisões centrais núcleo-núcleo”, detalhou o físico Marcelo Gameiro Munhoz, coordenador do projeto temático “Física nuclear de altas energias no RHIC e LHC”.

A formação do plasma de quarks e glúons gera mecanismos que facilitam a produção subsequente de hádrons estranhos. Por isso, a detecção de hádrons estranhos pode ser considerada um indício da formação prévia do plasma de quarks e glúons. Mas poderia haver uma outra explicação, não relacionada com o plasma, para este aumento de partículas estranhas, havendo a necessidade de reinterpretar aquilo que acontece nas colisões núcleo-núcleo.

Fonte: Nature Physics

Massa negativa desafia as leis da Física

Físicos criaram um fluido com "massa negativa", que acelera em direção oposta quando empurrado.

© Physical Review Letters (fluido com massa negativa)

A descoberta desafia a Segunda Lei de Newton, conhecida como o Princípio Fundamental da Dinâmica, que diz que quando empurrado, o objeto se acelera na mesma direção que a força aplicada nele.

Mas em teoria, matéria pode ter massa negativa, da mesma forma que uma carga elétrica pode ser positiva ou negativa. Uma massa efetiva negativa pode ser realizada em sistemas quânticos através da engenharia da relação de dispersão. Um método poderoso é fornecido pelo acoplamento spin-órbita, que está atualmente no centro de intensos esforços de pesquisa.

Uma equipe de cientistas, liderada por Peter Engels, da Washington State University (WSU), esfriou átomos de rubídio a uma temperatura pouco acima do zero absoluto (próximo de -273ºC), gerando o que é conhecido como Condensado de Bose-Einstein.

Neste estado da matéria, as partículas se comportam como ondas, se movem de forma extremamente lenta, conforme previsto pela mecânica quântica. Elas também se sincronizam e se movimentam juntas no que é conhecido como superfluido, que flui sem perder energia.

Nesta pesquisa um condensado de Bose-Einstein foi medido acoplado à órbita de spin em expansão cuja dispersão apresenta uma região de massa efetiva negativa. Os pesquisadores observaram uma variedade de fenômenos dinâmicos, incluindo a quebra da paridade e da covariância galileana, instabilidades dinâmicas e auto-aprisionamento. Os resultados experimentais são reproduzidos por uma simulação de banda única de Gross-Pitaevskii, demonstrando que as características emergentes, tais como: ondas de choque, trens solitônicos, auto-aprisionamento, entre outros, originam-se de uma dispersão modificada. Este trabalho também fornece novas informações sobre fenômenos relacionados em redes ópticas, onde a estrutura periódica subjacente muitas vezes complica sua interpretação.

Para criar as condições para a massa negativa, os pesquisadores usaram lasers para capturar os átomos de rubídio e empurrá-los para frente e para trás, mudando a forma como eles giram.

Os lasers prendem os átomos como se eles estivessem numa região com menos de 100 micrômetros de diâmetro. Neste ponto, o superfluido de rubídio tem massa normal. Mas, quando os átomos foram liberados da "armadilha do laser", o superátomo de rubídio se expande, revelando massa negativa.

Para criar as condições para a massa negativa, os pesquisadores aplicaram um segundo conjunto de lasers que empurra estes átomos em expansão de um lado para outro, mudando o modo como eles giram. Desta forma, quando alguns átomos de rubídio escorrem para fora da armadilha original rápido o suficiente, eles se comportam como se tivessem massa negativa.

"Com massa negativa, se você empurrar alguma coisa, ela acelera em sua direção," disse Michael Forbes, professor-assistente de Física da WSU. "Parece que o rubídio se choca contra uma parede invisível".

A técnica poderia ser usada para entender melhor o fenômeno, dizem os pesquisadores. "Primeiramente, nos chamou atenção o controle que temos sobre a natureza da massa negativa, sem quaisquer complicações," diz Forbes.

Este controle também fornece aos pesquisadores uma ferramenta para explorar as possíveis relações entre massa negativa e fenômenos observados no cosmos, como estrelas de nêutrons, buracos negros e energia escura.

Fonte: Physical Review Letters

Criado hidrogênio metálico

Cientistas da Universidade de Harvard, nos Estados Unidos, criaram uma amostra de metal de hidrogênio.

© R. Dias/I. F. Silvera (hidrogênio metálico)

Na imagem acima o hidrogênio aparece transparente (à esquerda), opaco (no centro) e reflexivo (à direita). Esta refletividade indica que o hidrogênio foi transformado em um metal, afirmam os pesquisadores.

O hidrogênio é o elemento mais simples da tabela periódica, com um próton e um elétron. Em condições normais esses átomos tendem a se organizar aos pares em um gás, que a baixas temperaturas se condensa em líquido e, em temperaturas ainda mais baixas, em sólido.

É a primeira vez que o hidrogênio metálico, previsto em teoria pela primeira vez há cerca de 80 anos, foi desenvolvido em laboratório. O hidrogênio sólido pode existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter.

A primeira menção a ele foi feita em 1935 pelos cientistas Eugene Wigner e Hillard Bell Huntington, que sugeriram que, em uma pressão de 25 gigapascals (GPa), o hidrogênio sólido se transformaria em metal. Acredita-se  que a pressão do núcleo da Terra esteja entre 330 e 360 GPa.

Na época ainda não havia conhecimento suficiente do mundo quântico para criar estas condições. A produção de hidrogênio metálico tem sido um grande desafio para a física da matéria condensada.

Os pesquisadores Thomas D. Cabot, Isaac Silvera e Ranga Dias usaram dois tipos de diamantes sintéticos para encontrar o hidrogênio sólido. Eles poliram as superfícies dos diamantes até que elas não tivessem mais defeitos, os esquentaram para retirar resíduos internos e os cobriram com uma camada de óxido de alumínio, um composto que o hidrogênio não consegue filtrar.

Em seguida, o trio de Harvard foi comprimindo o hidrogênio sólido. No início do experimento, quando a pressão estava mais baixa, o elemento ficou transparente, conforme a pressão foi aumentando, ele ficou opaco e preto. Quando uma pressão de 495 GPa foi atingida, o hidrogênio ficou brilhante, completando sua transformação em metal, ainda não se sabe se foi em um estado sólido ou líquido. O físico Alexander Goncharov, do Carnegie Institution for Science, afirmou que o material brilhante pode ser, na verdade, o óxido de alumínio usado para recobrir as pontas dos diamantes, que poderia ter sido modificado pela alta pressão.

Na pressão de 495 GPa, o hidrogênio metálico possui uma refletividade tão elevada como 0,91. Os pesquisadores ajustaram a refletância usando um modelo de elétron livre de Drude para determinar a frequência de plasma de 32,5 ± 2,1 eV numa temperatura de 5,5 kelvin, com uma densidade de portadores de elétrons correspondente de 7,7 ± 1,1 × 10²³ partículas/cm³, consistente com as estimativas teóricas de densidade atômica.

Ainda há muito o que ser pesquisado, mas se o metal de hidrogênio tiver pelo menos metade das aplicações previstas em teoria, ele poderia revolucionar a tecnologia como a conhecemos hoje. O material por ser um supercondutor poderia trazer inovações em eletricidade, como a possibilidade de trens de alta velocidade funcionarem por levitação magnética.

O material poderia ser utilizado como propulsor, o que mudaria as viagens espaciais. "É necessário uma quantidade tremenda de energia para criar o metal de hidrogênio," explicou Isaac Silvera. "E se você o converter de volta para o hidrogênio molecular, toda a energia é liberada, o que poderia se transformar no tipo de propulsor mais potente já conhecido pelo homem."

Em termos de comparação, os propulsores utilizados hoje levam 450 segundos para serem acionados em um foguete; o propulsor de hidrogênio levaria 1,7 segundos para fazer a mesma coisa. Com isso, seria possível colocar foguetes em órbita em apenas um estágio em vez de dois. "Ele teria ainda cargas úteis maiores, o que seria muito importante," ressaltou Silvera.

Fonte: Science

Espectro de luz da antimatéria é observado

A experiência ALPHA observa pela primeira vez o espectro de luz da antimatéria.

© Chukman So (nuvem de átomos de anti-hidrogênio)

A colaboração ALPHA relata a primeira medição sobre o espectro óptico de um átomo de antimatéria. Esta conquista apresenta desenvolvimentos tecnológicos que abrem uma era completamente nova na pesquisa de alta precisão da antimatéria. É o resultado de mais de 20 anos de trabalho da comunidade da antimatéria no CERN.

“Usar um laser para observar uma transição no anti-hidrogênio e compará-la ao hidrogênio para ver se obedecem às mesmas leis da física tem sido sempre um objetivo chave da pesquisa da antimatéria,” declarou Jeffrey Hangst, porta-voz da colaboração da experiência ALPHA.

Os átomos consistem em nuvens de elétrons nos orbitais de um núcleo. Quando os elétrons se movem de uma camada de um orbital para outro, absorvem ou emitem luz em comprimentos de onda específicos, formando o espectro do átomo. Cada elemento tem um espectro único. Em resultado, a espectroscopia é uma ferramenta habitualmente usada em muitas áreas da física, da astronomia e da química. Ajuda a caracterizar átomos e moléculas e os seus estados internos. Por exemplo, na astrofísica, a análise do espectro de luz de estrelas longínquas permite aos cientistas determinar a sua composição.

Com o seu único próton e único elétron, o hidrogênio é o átomo mais abundante, mais simples e melhor compreendido do Universo. O seu espectro foi medido com uma precisão muito elevada. Por outro lado, os átomos de anti-hidrogênio são mal compreendidos.

Dado que o Universo parece consistir inteiramente de matéria, os constituintes dos átomos do anti-hidrogênio (antiprótons e posítrons) têm que ser produzidos e montados nos átomos antes que o espectro do anti-hidrogênio possa ser medido. É um processo cuidadoso, mas vale a pena o esforço, uma vez que qualquer diferença mensurável entre os espectros de hidrogênio e de anti-hidrogênio poderia romper princípios básicos da física e, provavelmente, ajudar a entender o quebra-cabeças da assimetria matéria-antimatéria, o maior desequilíbrio e um dos maiores enigmas do Universo.

O resultado da experiência ALPHA é a primeira observação de uma linha espectral de um átomo de anti-hidrogênio, permitindo que o espectro de luz da matéria e da antimatéria sejam comparados pela primeira vez. Dentro dos limites experimentais, o resultado não mostra diferença em relação à linha espectral equivalente no hidrogênio.

Isso é consistente com o Modelo Padrão de Física de Partículas, a teoria que melhor descreve as partículas e as forças em ação entre elas, que prediz que hidrogênio e o anti-hidrogênio devem ter características espectroscópicas idênticas.

A colaboração ALPHA espera melhorar a precisão de suas medições no futuro. A medição do espectro do anti-hidrogênio com alta precisão oferece uma nova e extraordinária ferramenta para testar se a matéria se comporta de forma diferente da antimatéria e, assim, testar ainda mais a robustez e a fiabilidade do Modelo Padrão.

ALPHA é uma experiência única nas instalações do Antiproton Decelerator no CERN, e é capaz de produzir átomos de anti-hidrogênio e de mantê-los numa armadilha magnética especialmente projetada, manipulando anti-átomos, uns tantos de cada vez. Armadilhar átomos de anti-hidrogênio permite que estes sejam estudados utilizando laseres ou outras fontes de radiação.

“Mover e armadilhar antiprótons ou posítrons é fácil porque são partículas com carga elétrica”, explicou Hangst. “Mas quando se combinam os dois, obtém-se anti-hidrogênio neutro, que é muito mais difícil de capturar, então concebemos uma armadilha magnética muito especial que se baseia no fato do anti-hidrogênio ser ligeiramente magnético.”

O anti-hidrogênio é produzido misturando plasmas de cerca de 90.000 antiprótons do Antiproton Decelerator com posítrons, resultando na produção de cerca de 25.000 átomos de anti-hidrogênio por cada tentativa. Os átomos de anti-hidrogênio podem ser capturados caso estejam se movendo lentamente, quando são gerados.

Usando uma nova técnica pela qual a colaboração empilha anti-átomos resultantes de dois ciclos de mistura sucessivos, é possível capturar em média 14 anti-átomos por ensaio, em comparação com apenas 1,2 com os métodos anteriores. Ao iluminar os átomos presos com um feixe de laser numa frequência sintonizada com precisão, os cientistas podem observar a interação do feixe com os estados internos de anti-hidrogênio.

A medição foi feita observando-se a chamada transição 1S-2S. O estado 2S no hidrogênio atômico é de longa duração, levando a uma largura estreita da linha natural, efeito pelo qual se mostra particularmente adequado para a medição de precisão.

O resultado atual, juntamente com os limites recentes na proporção da massa antipróton-elétrons estabelecida pela colaboração ASACUSA e a relação carga-massa antipróton determinada pela colaboração BASE, demonstram que os testes de simetrias fundamentais com a antimatéria no CERN estão amadurecendo rapidamente.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: CERN

Transições de fase topológica da matéria

O prêmio Nobel de Física de 2016 foi para o trio de cientistas britânicos David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz pelas descobertas teóricas das transições de fase topológica da matéria.

© DevianArt (pretzel estilizado)

Os três cientistas britânicos estão hoje baseados nos Estados Unidos. Thouless, nascido em 1934, é hoje professor emérito da Universidade de Washington. Haldane, nascido em 1951, é professor da Universidade Princeton. E Kosterlitz, nascido em 1942, é professor da Universidade Brown.

As pesquisas, que revelaram características da chamada "matéria exótica", podem ter aplicações futuras na eletrônica.

Suas descobertas permitiram avanços na compreensão teórica dos mistérios da matéria e criaram novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais inovadores.

As transições de fase ocorrem quando as fases da matéria transitam entre si, como quando o gelo derrete e se torna água. As fases mais comuns da matéria são gás, líquido e sólido. Mas, em temperaturas extremamente altas ou baixas, a matéria pode assumir outros estados exóticos.

O que os laureados fizeram foi revelar os segredos dessa matéria em estado exótico. Eles criaram métodos matemáticos para estudar essas fases incomuns da matéria que ocorrem, por exemplo, em supercondutores, superfluidos e filmes finos magnéticos.

A topologia é o ramo da matemática que descreve as propriedades da matéria que mudam apenas passo a passo. "O pão não tem buraco, o bagel tem um buraco e o pretzel tem dois buracos. O número de buracos é algo que chamamos de invariável topológica," disse Thors Hans Hansson, um dos membros do comitê do prêmio Nobel de Física . Isso é chamado invariável porque não é possível ter um estágio intermediário entre um buraco e dois buracos (não existe meio buraco, por exemplo).

No início de 1970, Michael Kosterlitz e David Thouless derrubou a teoria então vigente que a supercondutividade não poderia ocorrer em camadas finas. Eles demonstraram que a supercondutividade pode ocorrer a baixas temperaturas e também explica o mecanismo da transição de fase, que faz desaparecer a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

Na década de 1980, Thouless foi capaz de explicar uma experiência anterior com camadas eletricamente condutoras muito finas em que a condutância foi precisamente medida através da topologia. Simultaneamente, Duncan Haldane descobriu como conceitos topológicos podem ser utilizados para compreender as propriedades das cadeias de pequenos ímãs encontrados em alguns materiais.

Agora sabemos de muitas fases topológicas, não apenas em camadas finas, mas também em materiais tridimensionais comuns. Durante a última década, esta área tem impulsionado a pesquisa em física da matéria condensada.

A esperança, segundo a Academia Real de Ciências da Suécia, é que as pesquisas possam ser usadas em novas gerações de eletrônicos e supercondutores, ou em futuros computadores quânticos.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

Vácuo quântico atua na rotação dos pulsares

A resistência ao movimento oferecida pelo vácuo pode estar desacelerando a rotação ultrarrápida das estrelas de nêutrons que constituem os pulsares.

© NASA (ilustração de um pulsar)

A instigante hipótese, resultante de um estudo realizado pelos pesquisadores brasileiros: Jaziel Goulart Coelho, pós-doutorando do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), Jonas Pedro Pereira, atualmente pós-doutorando da Universidade Federal do ABC (UFABC), e José Carlos Neves de Araújo, pesquisador titular do INPE.

As observações astronômicas informam que, a cada segundo, o período de rotação dos pulsares atrasa de um centésimo trilionésimo (10^-14) a um décimo trilionésimo (10^-13) de segundo. O mecanismo clássico de perda de energia, por radiação de dipolo magnético, não é suficiente para explicar esse atraso. É preciso considerar algo mais. Este estudo possibilitou concluir que esse componente adicional poderia ser a frenagem exercida pela fricção do vácuo quântico.

Na mecânica quântica o vácuo não é realmente vazio, mas permeado por flutuações. Neste meio, extremamente dinâmico, flutuações locais de potencial produzem o tempo todo pares de partículas e antipartículas, que se aniquilam em seguida. Assim, por mais tênue que possa ser o espaço interestelar, seu efeito sobre corpos altamente compactos em rotação, como as estrelas de nêutrons, não seria negligenciável.

Já foram identificados cerca de 2 mil pulsares. Mas, devido a grandes dificuldades no processo de observação, apenas nove deles têm os seus parâmetros bem estabelecidos.

Os pesquisadores reuniram os dados relativos a estes nove pulsares, registrados na literatura, utilizando conceitos da física fundamental. Eles constataram que, além da perda de energia devida à radiação eletromagnética, um outro fator poderia estar contribuindo para a desaceleração do movimento de rotação: a fricção do vácuo quântico.

Os períodos de rotação dos pulsares, bem como suas variações temporais, são determinados observacionalmente. A partir deles, é possível calcular o chamado índice de frenagem, caracterizado pelo atraso de 10^-14 a 10^-13 segundo por segundo. Para explicar este índice, os pesquisadores combinaram dois mecanismos de perda de energia: a radiação de dipolo magnético clássica e a fricção do vácuo quântico.

Nota-se que a produção de calor está intrinsecamente associada à fricção do vácuo quântico. Esta é uma das consequências da interação de um campo magnético muito forte com um meio supermagnetizado. O calor surge do atrito do vácuo com a superfície da estrela, da mesma forma que o movimento de uma pá na água por um longo tempo pode aquecê-la.

Aqui, convém apresentar um resumo do estado atual dos conhecimentos acerca dos pulsares. A primeira observação de um objeto desse tipo foi feita em 1967 pela astrofísica irlandesa Jocelyn Bell, que então realizava sua pesquisa de doutorado. O objeto, localizado na Nebulosa do Caranguejo, foi detectado como fonte de uma emissão eletromagnética, na faixa de frequências do rádio, constituída por pulsos extremamente regulares, tão regulares que chegou a se cogitar, na época, que poderiam ser provenientes de uma civilização extraterrestre.

Sabe-se agora que esses pulsos são produzidos por estrelas de nêutrons em rotação. Estas constituem o estágio terminal do ciclo evolutivo de estrelas que iniciaram suas vidas com massas da ordem de grandeza de oito a 25 massas solares. Em um dado momento de sua evolução, tais estrelas explodem como supernovas, ejetando ao meio exterior a maior parte do material que as constitui. Depois, tendo-se encerrado o processo de fusão nuclear, cuja pressão de dentro para fora contrabalançava a atração gravitacional, o material remanescente entra em colapso e começa a se compactar cada vez mais. A contração gravitacional é tanta que os elétrons se fundem com os prótons dando origem a nêutrons, altamente aglutinados. Forma-se, assim, uma estrela de nêutrons, cuja densidade é cerca de 10¹⁵ g/cm³. Isso significa que cada centímetro cúbico da estrela tem 100 milhões de toneladas de massa! Massas equivalentes a uma vez e meia a massa do Sol se comprimem em esferas com não mais de 20 quilômetros de raio.

Uma das consequências da contração é que a estrela passa a girar cada vez mais rápido. Isso se deve a uma regularidade no comportamento da matéria que recebe em física o nome de “princípio de conservação do momento angular”. O momento angular relaciona a massa, o quadrado do raio e a velocidade angular. Como a massa e o raio diminuem drasticamente, é preciso que a velocidade angular aumente muito para que o momento angular se mantenha constante. Existem pulsares extremamente rápidos, com períodos de rotação da ordem do milissegundo (10^-3 s); pulsares intermediários, com períodos que vão do centésimo ao décimo de segundo (10^-2 a 10^-1 s); e pulsares mais lentos, com períodos de um a dez segundos (10⁰ a 10 s).

Outra consequência da contração é que o campo magnético da estrela se intensifica tremendamente. Isso decorre do chamado “princípio de conservação de fluxo”. Uma vez que a área da superfície do astro diminui, para que o fluxo magnético se conserve, o campo deve crescer com o quadrado da razão entre o raio anterior e o raio resultante. Assim, o campo magnético das estrelas de nêutrons pode atingir valores da ordem de cem milhões (10⁸) a um quatrilhão (10¹⁵) de Gauss. Para efeito de comparação, a magnitude do campo magnético na superfície da Terra é da ordem de 0,25 a 0,65 Gauss.

Embora os primeiros pulsares tenham sido detectados na faixa do rádio, as estrelas de nêutrons emitem em todas as frequências do espectro eletromagnético: rádio, micro-ondas, infravermelho, luz visível, ultravioleta, raios X, raios gama. Porém, só podem ser percebidas como pulsares, isto é, como objetos pulsantes, quando o eixo de seu campo magnético não coincide com o seu eixo de rotação. O motivo é que a emissão ocorre a partir dos polos magnéticos. Quando os eixos coincidem, o feixe de fótons aponta sempre na mesma direção. Quando não coincidem, o feixe de fótons varre diferentes regiões do espaço durante a rotação. Cada vez que ele aponta para o observador terrestre, isso é percebido como um pulso. O fenômeno é parecido com o dos pulsos luminosos emitidos pelos faróis que orientam os navios.

Este estudo possibilitou prever a inclinação do campo magnético do pulsar em relação ao eixo de rotação e também a evolução do campo magnético ao longo do tempo. No cenário clássico, de radiação de dipolo magnético puro, o campo deve aumentar de forma a explicar os índices de frenagem observados.

Segundo os pesquisadores, a fricção do vácuo quântico tornar-se-ia especialmente relevante em pulsares com campos magnéticos muito intensos, de 10¹² a 10¹³ Gauss, e que, por já terem perdido bastante rotação, apresentem períodos mais longos, de um a 10 segundos.

Ao considerar a fricção do vácuo quântico, este estudo acrescentou um importante elemento ao modelo clássico de transferência de energia dos pulsares, baseado apenas na radiação eletromagnética. Mas os pesquisadores estão realizando agora um terceiro mecanismo de transferência, que é o da emissão de ondas gravitacionais.

Fonte: The Astrophysical Journal

A luz poderá existir em nova forma

Uma nova pesquisa sugere que é possível originar uma nova forma de luz ao ligá-la a um único elétron, que combina as propriedades desta partícula da matéria com as da luz.

© V. Giannini (luz capturada na superfície de um isolador topológico)

De acordo com os cientistas que desenvolveram este estudo no Imperial College London, a luz e o elétron acoplados terão propriedades que podem levar à fabricação de circuitos que trabalham com fótons em vez de elétrons.

Também provavelmente permitirá o estudo dos fenômenos físicos quânticos que regem as partículas subatômicas, mas numa escala visível.

Em materiais normais, a luz interage com uma série de elétrons dispostos na superfície e no interior do material. Mas usando a física teórica para modelar o comportamento da luz e um tipo recém-descoberto de materiais designados isoladores topológicos, os pesquisadores do Imperial College London descobriram que esta poderá interagir apenas com um elétron na superfície.

Isso produziria um acoplamento que funde algumas das propriedades da luz e do elétron. Normalmente, a luz viaja em linha reta, mas, quando ligada ao elétron irá, em vez disso, acompanhar o seu percurso, seguindo a superfície do material.

No estudo o Dr. Vincenzo Giannini e seus colegas modelaram essa interação em torno de uma nanopartícula feita de um isolante topológico.

Os modelos demonstraram que a luz adquire algumas propriedades do elétron e que, circulando a partícula, o elétron também adquire algumas das propriedades da luz.

Normalmente, como os elétron viajam ao longo dos materiais, tais como os constituintes dos circuitos elétricos, eles param quando confrontados com um defeito. No entanto, a equipe do Dr. Giannini descobriu que mesmo que houvesse imperfeições na superfície da nanopartícula, o elétron ainda seria capaz de prosseguir com a ajuda da luz.

Se este comportamento puder ser adaptado aos circuitos fotônicos, estes seriam mais robustos e menos vulneráveis a perturbações e imperfeições físicas.

“Os resultados desta pesquisa terão um enorme impacto sobre a forma como concebemos a luz, os isoladores topológicos só foram descobertos na última década, mas já nos proporcionam novos fenômenos para estudar e novas maneiras de explorar conceitos importantes na física,” disse Giannini.

Acrescentou que deve ser praticável observar os fenômenos que ele modelou em experiências recorrendo à tecnologia atual, e a equipe está trabalhando com os físicos experimentais para tornar isso uma realidade.

Ele considera que o processo que origina esta nova forma de luz pode ser ampliado de modo a que o fenômeno possa ser observado com incomparável facilidade.

Atualmente, os fenômenos quânticos só podem ser observados quando se estudam objetos muito pequenos ou objetos que foram muito arrefecidos, mas esta provável descoberta poderá permitir aos cientistas estudar estes comportamentos à temperatura ambiente.

Fonte: Nature Communications

Vibrações inesperadas em nanomaterial

Um grupo de físicos brasileiros observou pela primeira vez em detalhe como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo, conhecido como fósforo negro.

© MackGraphe (cristal de fósforo negro)

A imagem mostra o cristal de fósforo negro observado ao microscópio de força atômica: as cores na borda superior indicam a intensidade de vibração de átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas.

O fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Foi sintetizado pela primeira vez em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas um século mais tarde.

A equipe coordenada pelo físico brasileiro Christiano de Matos descreve uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno, formado por uma só camada de átomos de carbono e uma das grandes promessas da nanotecnologia. “As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal”, conta Matos, físico do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie.

Segundo o pesquisador, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o design de um dispositivo nanotecnológico, como um transistor ou um sensor de luz. Entretanto, o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração.

Na escala dos objetos medidos em milionésimos de milímetros (nanômetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fósforo negro começaram a ser identificadas, em 2014, o interesse dos pesquisadores de diversas áreas por esse material vem crescendo. Chamam a atenção a sua capacidade de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que, de acordo com especialistas, podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Em termos estruturais, o fósforo negro é semelhante à grafite, o mesmo material usado em lápis. Tanto um quanto outro são formados por folhas de apenas um átomo de espessura empilhadas umas sobre as outras, as camadas monoatômicas de fósforo são chamadas de fosforeno, e as de carbono recebem o nome de grafeno.

Mas as propriedades especiais desses materiais aparecem sob condições distintas. A alta resistência mecânica e a boa capacidade de conduzir calor ou eletricidade do carbono aparecem principalmente quando este elemento químico está disposto em uma folha de um só átomo de espessura, ou seja, encontra-se na forma de grafeno. Já com o fósforo negro é diferente. Suas propriedades se tornam evidentes à medida que os pesquisadores esfoliam o material e chegam a uma dezena (ou até menos) de camadas empilhadas. Essa característica pode permitir controlar mais facilmente as propriedades do material simplesmente adicionando ou eliminando camadas.

Em experimentos conduzidos no MackGraphe, o estudante de doutorado Henrique Ribeiro, orientado por Matos e pelos físicos Marcos Pimenta, da Universidade Federal de Minas Gerais, e Eunézio Antônio de Souza, do MackGraphe, fez feixes de laser incidirem sobre amostras de fósforo negro compostas de diferentes números de camadas atômicas, com espessura variando de 6 a 300 nanômetros. Parte dessa luz é absorvida e parte é espalhada pelos átomos do material. A luz absorvida fornece energia para os átomos vibrarem, alterando as propriedades, em especial, a frequência e a polarização da luz espalhada.

Em seguida, os pesquisadores compararam as medições feitas no experimento com os resultados de simulações feitas pelo físico Cesar Pérez Villegas, que faz estágio de pós-doutorado sob a supervisão de Alexandre Rocha no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São Paulo. Da comparação, os físicos deduziram como os átomos vibravam ao receber o laser e concluíram que, nas bordas do fósforo negro, os átomos oscilavam de maneira específica, distinta daquela dos átomos do restante do material. Essas vibrações de borda apareceram em todas as amostras, independentemente de sua espessura.

Experimentos semelhantes ao feito agora com o fósforo negro já haviam sido realizados com o grafeno e mostrado que, embora seus átomos vibrem da mesma maneira tanto na borda como em seu interior, a luz espalhada nas bordas deste material pode apresentar frequência diferente da espalhada por seu miolo. A vibração dos átomos viaja pelo material na forma de ondas. No grafeno, a borda funciona como um espelho em que a onda bate e volta refletida. É essa reflexão que modifica a frequência da luz espalhada. Já no fósforo negro, a vibração diferente é explicada por um leve deslocamento dos átomos na borda das camadas de fosforeno. “No fosforeno, os átomos da borda têm uma posição de equilíbrio diferente da dos átomos do meio do material”, conta Matos. “Isso os faz vibrar de modo distinto.”

Fonte: Nature Communications