Medindo a temperatura de células vivas

Uma ferramenta originalmente desenvolvida para computadores quânticos agora é capaz de mapear mudanças de temperatura dentro de uma célula viva.

© Nature/Georg Kucsko (célula sendo aquecida com luz laser)

A técnica explora efeitos quânticos em minúsculos cristais de diamante, ou “nanodiamantes”, para detectar alterações de alguns milésimos de grau.

Além disso, os pesquisadores conseguiram aquecer partes selecionadas da célula com um laser. “Agora temos uma ferramenta para monitorar a temperatura a um nível celular e podemos estudar como os sistemas biológicos reagem a mudanças de temperatura”, afirma Peter Maurer, físico da Harvard University em Cambridge, Massachusetts, e membro da equipe que publicou a notícia no site da revista Nature.

O diamante revelou ser um material útil para lidar com informações quânticas. Na computação clássica, os dados são armazenados em dígitos binários, ou “bits”, que podem ser um 0 ou 1. Um bit quântico, ou “qubit”, por outro lado, pode assumir esses dois valores, além de um número infinito de intermediários.

O diamante armazena os qubits em sua estrutura de cristais de carbono como se fossem elétrons de impurezas. Tipicamente, as impurezas compreendem um átomo de nitrogênio que substituiu um dos átomos de carbono e uma lacuna, ou “vaga”, de um único átomo ao lado do nitrogênio.

Os pesquisadores manipularam com sucesso esses “ocos” de nitrogênio, o que foi um passo para usá-los para realizar cálculos quânticos.

Como os elétrons do nitrogênio são extremamente sensíveis a campos magnéticos, os cristais de diamante também se mostraram promissores para o imageamento por ressonância magnética.

E como as sondas magnéticas são muito sensíveis a pequenas variações de temperatura, os pesquisadores começaram a transformar essa potencial deficiência em vantagem, utilizando as sondas como termômetros de precisão. Agora, Maurer e seus colegas colocaram a ferramenta a serviço da biologia.

Em sua mais recente técnica, os pesquisadores usaram um nanofio para injetar cristais de diamante em uma célula embrionária humana. Em seguida, iluminaram a célula com uma luz laser verde, fazendo com que as impurezas de nitrogênio fluorescessem em vermelho.

As variações nas temperaturas locais no interior da célula afetam a intensidade da luz vermelha emitida pelos centros de nitrogênio e vazios. Os pesquisadores conseguiram medir essa intensidade e usá-la para calcular a temperatura do nanodiamante correspondente. Como o diamante é um bom condutor de calor, o nanocristal provavelmente tem a mesma temperatura que seu ambiente celular imediato.

Os pesquisadores também injetaram na célula nanopartículas de ouro e, em seguida, concentraram um laser nelas para aquecer partes diferentes da célula. Graças aos seus minúsculos termômetros de diamante, eles foram capazes de verificar com precisão onde e quanto a temperatura subia.

Um termômetro de diamante poderia ser uma ferramenta útil para a biologia básica, diz Maurer, observando que diversos processos biológicos, que vão da expressão de genes ao metabolismo celular, são fortemente afetados pela temperatura.

Os biólogos puderam estudar o desenvolvimento de organismos simples, como o nematoda Caenorhabditis elegans, por exemplo, ao controlarem a temperatura local. “Você poderia aquecer células individuais e estudar se as células vizinhas retardam ou aceleram sua taxa de reprodução”, diz Maurer.

Fonte: Scientific American Brasil

Polarização na radiação cósmica de fundo

Astrônomos detectaram um sinal de polarização previsto há muito tempo nas ondulações do Big Bang.

© NASA/COBE (anisotropia da radiação cósmica de fundo)

O sinal, conhecido como polarização de modo B, é provocado pelo arrasto gravitacional da matéria sobre fótons de microondas deixados pelo Big Bang.
Sua detecção, feita por um telescópio de microondas no Polo Sul aumenta as esperanças de que o sinal possa ser usado para mapear a quantidade de matéria do Universo e determinar as massas de três tipos de neutrinos; na prática, usando a astronomia para atingir um dos principais objetivos da física de partículas. A detecção também sugere que pode ser possível detectar outro tipo de modo B, que poderia ser evidência de que o Universo, no momento após o Big Bang, passou por uma violenta expansão conhecida como inflação.
“O motivo de ninguém ter conseguido ver isso antes é que esse é um sinal muito pequeno, cerca de uma parte em 10 milhões”, explica Duncan Hanson, astrofísico da McGill University em Montreal, no Canadá, que liderou o trabalho, usando receptores ultra-sensíveis no Telescópio do Polo Sul (TPS), de 10 metros. Em comparação, as primeiras medidas de ondulações na radiação cósmica de fundo, divulgadas em 1992 por pesquisadores usando o satélite COBE (Cosmic Background Explorer) da NASA, registrava diferenças de quatro partes em 100 mil.
Outros instrumentos também estão tentando detectar modos B, incluindo o experimento POLARBEAR e o Telescópio Cosmológico do Atacama (TCA), ambos em Chajnantor, no Chile.
“Eles nos derrotaram, e eu tiro o chapéu para eles”, elogia Lyman Page, astrônomo da Princeton University, em Nova Jersey, e principal pesquisador do ACT. “Esse é um sinal intrinsecamente claro, e todos nós acreditamos que ele se tornará uma ferramenta importante para medir o conteúdo do Universo”.
David Spergel, astrofísico teórico também de Princeton, concorda. “Essa é a primeira vez em que a polarização foi usada para identificar estruturas de grande escala no Universo”, observa ele.  
O TPS, ativado em 2007, usa a radiação cósmica de fundo para mapear as posições de galáxias e aglomerados estelares. Seus sensíveis receptores de microondas foram instalados em 2012 e conseguiram detectar variações no sinal de modo B por escalas muito pequenas no céu, aponta John Carlstrom, astrofísico da University of Chicago, em Illinois, e principal pesquisador do SPT. Para usar o sinal para localizar as massas de neutrinos, que compõem uma porção desconhecida da matéria sendo mapeada, astrônomos terão que varrer um trecho do céu muito maior que os 100 graus quadrados mapeados pelo TPS. Mesmo assim, Carlstrom lembra que não é impossível que telescópios determinem a massa de neutrinos nos próximos anos, antes que experimentos planejados para a física de partículas tentem fazer a mesma coisa com feixes de neutrinos na Terra.
Mas o objetivo final dos experimentos de polarização de microondas não é fazer física de partículas, mas cosmologia. Eles estão perseguindo uma classe diferente de modos B “primordiais”, que acredita-se serem gerados pela rápida expansão do espaço durante a inflação. Qualquer detecção seria uma confirmação definitiva da inflação – uma das principais teorias da cosmologia – e estabeleceria sua escala de energia, o que seria útil para físicos que trabalham para desenvolver teorias da gravidade quântica.
Mas modos B primordiais existiriam como pequenas variações em grandes escalas com mais de um grau de diâmetro, grandes demais para que o TPS encontre importância estatística com o trecho celeste relativamente pequeno que ele observa.
O satélite Planck da ESA que varre o céu inteiro, pode ser capaz de identificá-los.
Também é possível que eles sejam discerníveis em conjuntos de dados menores, como o TPS, uma vez que modos B gravitacionais tenham sido mapeados e removidos, com o potencial de revelar qualquer sinal primodial abaixo. De acordo com Spergel, a observação mais recente do TPS sugere que essa abordagem para detectar modos B é um bom prospecto.

Um artigo sobre a pesquisa foi publicado na revista Nature.

Fonte: Scientific American Brasil

Radiação do corpo negro atrativa

Os corpos negros são objetos não refletores perfeitos, que produzem radiação constante quando estão a uma temperatura uniforme.

© APS (interação entre um átomo e um corpo negro)

Assim, as propriedades de um corpo negro depende da temperatura em que este se encontra, sendo a energia da radiação de corpo negro proporcional à quarta potência da temperatura, e agora esta radiação teria um efeito repulsivo. Por intermédio de num novo artigo, foi demonstrado teoricamente que a radiação de um corpo negro induz uma segunda força nos átomos e moléculas que estão na sua vizinhança que é atrativa e mais forte do que a repulsiva, a pressão da radiação. Consequentemente, os átomos e moléculas são puxados para a superfície do corpo negro por uma uma força que poderá ser superior à da gravidade. A nova força atrativa, apelidada de “força do corpo negro”, sugere que uma variedade de cenários astrofísicos sejam revisitados.

Os cientistas verificaram aspectos interessantes na sua formulação. Primeiro, essa força decai com a terceira potência da distância ao corpo negro (F ∝ 1/r³). Segundo, a força é mais forte para objetos pequenos. Terceiro, a força é mais forte para os objetos mais quentes, até certo ponto. Acima de alguns milhares de graus Kelvin, a força de atração muda para repulsão.

Neste estudo, foi demonstrado que a força do corpo negro num grão de poeira, a uma temperatura de 100 K, é muito mais forte do que a atração gravitacional sobre este grão. No entanto, para uma estrela massiva, a uma temperatura de 6.000 K, a força do corpo negro é muito mais fraca do que a força gravitacional.

Os resultados também poderiam ter aplicações experimentais, como os efeitos de superfícies quentes microestruturadas em câmaras de vácuo. No entanto, a força do corpo negro atraente vai ser difícil de medir porque será muito débil em condições de laboratório normais.

O estudo foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

Detecção de um decaimento raro

O CMS (Compact Muon Solenoid) detectou um importante e raro decaimento previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas.

© CMS (produção de mésons B_s)

A medida do decaimento de mésons B_s em pares de muons, foi anunciada ontem na conferência bienal da Sociedade Europeia de Física, em Estocolmo (Suécia), e chega depois de uma espera de cerca de 25 anos. 
Em cada bilhões de mésons B_s produzidos, espera-se que apenas três decaiam em dois muons, primos mais pesados do elétron.

Não obstante o sucesso do Modelo Padrão da física de partículas ao longo de décadas, obtido através de múltiplas previsões que foram verificadas experimentalmente, sabemos que pode não ser uma teoria completa: não oferece uma explicação para a evidência cosmológica da matéria escura, nem explica o domínio da matéria sobre a antimatéria no Universo. Se a fronteira da física estiver ao seu alcance, o LHC irá revelá-la, e o CMS tem procurado sistematicamente indicações de várias extensões propostas para o Modelo Padrão.

O decaimento de mésons B (compostos de um quark “bottom” e um outro quark mais leve) em dois muons (μ) é um canal ideal para procurar evidência indireta de novas descobertas na física. Os decaimentos de dois tipos de mésons B – B⁰ (composto de um quark “bottom” e um quark “down”) e mésons B_s (composto de um quark “bottom” e um quark “strange”) – em pares de muons são muito suprimidos no Modelo Padrão. No entanto, várias extensões do Modelo Padrão  preveem um desvio significativo das taxas de decaimento em ambos os sentidos (aumento ou maior supressão). Se a medida da taxa de decaimento de um destes mésons B for incompatível com a previsão do Modelo Padrão, teremos um sinal de nova física em ação. Durante quase 25 anos, várias experiências em diversos aceleradores de partículas procuraram estes decaimentos raros. Os limites superiores na taxa de decaimento estabelecidos experimentalmente melhoraram quatro ordens de grandeza ao longo do tempo, com a sensibilidade das experiências aproximando-se, recentemente, dos valores previstos pelo Modelo Padrão. No caso do decaimento B_s → μμ, o LHCb (Large Hadron Collider beauty), durante a colisão próton-próton com energia de 8 TeV (8,5 × 10^-7 J) mostrou no final do ano passado a primeira evidência experimental da sua existência com uma significância de 3.5σ.

A emoção desta fantástica medida experimental traz consigo uma ponta de desilusão para aqueles que procuram uma nova física. Grande parte do interesse no estudo do decaimento B_s → μμ reside no seu potencial para revelar as imperfeições do Modelo Padrão. No entanto, a história está longe de terminar. Com a continuação do programa de física do LHC, mais colisões estarão disponíveis para análise, e a precisão com que o CMS e outras experiências poderão medir estes e outros decaimentos raros poderá apenas melhorar. Maior precisão será útil para limitar as possibilidades da nova física e poderá apontar o caminho futuro para a física de altas energias. Por exemplo, o recomeço do LHC em 2015 colocará a sensibilidade do CMS ao nível de poder medir a taxa de decaimento de B⁰ → μμ conforme prevista pelo Modelo Padrão.

Observar este decaimento raro do mesão B_s representa um marco importante em 25 anos de uma longa viagem, deixando à nossa frente muito território por explorar no mundo da física de partículas.

Um artigo que apresenta o resultado foi submetido para publicação na revista Physical Review Letters.

Fonte: CERN

Nanografeno: a nova forma de caborno

Químicos da Boston College (EUA) e da Universidade de Nagoya (Japão) sintetizaram o uma nova forma de carbono.

© Nature Chemistry (nanografeno)

O novo material (C₈₀H₃₀) é composto por várias peças idênticas de grafeno grosseiramente deformado, cada um contendo exatamente 80 átomos de carbono unidos entre si numa rede de 26 anéis, com 30 átomos de hidrogênio na borda. Como medem pouco mais de um nanômetro de diâmetro, estas moléculas individuais são chamadas genericamente de "nanocarbonos", ou mais especificamente, neste caso, como "nanografenos grosseiramente deformados".

Até recentemente, os cientistas tinham identificado apenas duas formas de carbono puro: diamante e grafite. Em 1985, os químicos ficaram surpresos com a descoberta de que os átomos de carbono também pode se juntam para formar bolas ocas, conhecidas como fulerenos. Desde então, os cientistas desenvolveram tubos longos e extremamente finos de átomos de carbono, conhecidos como os nanotubos de carbono, e grandes folhas soltas planas de átomos de carbono, conhecidos como grafeno. A descoberta dos fulerenos foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química em 1996, e a sintetização do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010.

O aspecto contorcido dessas moléculas altera as propriedades físicas, ópticas e eletrônicas do nanocarbono, o que o define como um novo material. Por exemplo, as moléculas de nanografeno são mais solúveis do que o grafeno.

"E os dois diferem significativamente na cor também. Medições eletroquímicas revelaram que os nanografenos planares e contorcidos são igualmente oxidáveis, mas o nanografeno contorcido é muito mais difícil de reduzir," disse o Dr. Lawrence Scott, membro da equipe que descobriu a nova forma de carbono.

Este novo material tem tudo para ampliar ainda mais as potencialidades do grafeno, pois as propriedades eletrônicas e ópticas das folhas planas de carbono podem ser modificadas de maneira previsível através da síntese química.

Se for possível controlar o grau de distorção das folhas de grafeno variando o número de anéis na molécula, isso permitirá o desenvolvimento de segmentos de grafeno com propriedades precisamente controladas, o que seria muito útil para a fabricação de componentes optoeletrônicos.

Fonte: Nature Chemistry

Objetos levitam entre ondas sonoras

Gotículas de água, grânulos de café, fragmentos de poliestireno e até mesmo um palito de dentes está entre os itens que andaram voando por aí em um laboratório suíço recentemente, todos eles mantidos no ar por ondas sonoras.

© D. Poulikakos (gota é levitada entre superfícies emissoras de som)

O dispositivo que realiza essa levitação acústica é o primeiro capaz de manipular vários objetos simultaneamente. Ele foi descrito esta semana no Proceedings of the National Academy of Sciences.
Normalmente, as técnicas de levitação utilizam o eletromagnetismo; forças magnéticas já foram usadas até para levitar sapos. Há muito tempo se sabe que ondas sonoras também anulam a gravidade, mas até agora o método não tem aplicação prática porque ele não consegue fazer mais que manter um objeto parado.
Para também mover e manipular objetos em levitação, Dimos Poulikakos, engenheiro mecânico do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) em Zurique, e seus colegas, construíram plataformas que fazem som usando cristais piezoelétricos, que encolhem ou esticam dependendo da voltagem aplicada a eles. Cada plataforma é do tamanho de uma unha de dedo mínimo.
As plataformas emitem ondas de som que se movem para cima até atingirem uma superfície suspensa, e de lá são refletidas de volta. Quando as ondas refletidas para baixo se sobrepõem às ondas sonoras que estão subindo, as duas ‘se cancelam’ no meio, nos chamados pontos nodais. Objetos posicionados neles permanecem parados no lugar devido à pressão de ondas sonoras vindas de ambas as direções.
Ao ajustar a posição dos nodos, os pesquisadores podem arrastar objetos entre plataformas. As plataformas podem ser organizadas de maneiras diferentes para se adaptarem a vários experimentos. Em uma demonstração envolvendo um arranjo de plataformas em forma de T, os pesquisadores juntaram duas gotículas introduzidas em locais separadas e depois depositaram a gotícula combinada em um terceiro local.
O sistema também poderia ser usado para combinar reagentes químicos sem a contaminação que pode resultar do contato com a superfície de um recipiente. Ondas sonoras já são usadas na indústria farmacêutica para obter resultados precisos durante exames de drogas. Mas o método de Poulikakos é o primeiro a oferecer a possibilidade de controlar vários items simultaneamente com precisão.
Poulikakos sugere que o sistema poderia ser usado para testar reações químicas perigosas. “Nós nos divertimos demonstrando a ideia ao colidir um torrão de sódio com água, o que é obviamente uma reação agressiva”, conta ele.
Peter Christianen, físico que trabalha com levitação eletromagnética na Universidade Radboud em Nijmegen, na Holanda, declara estar impressionado com a invenção. “Eu gostei muito disso; essa é uma plataforma muito versátil, você consegue manipular quase qualquer coisa nela”.

Fonte: Nature

Força de Van der Walls é medida diretamente

Cientistas na França são os primeiros a fazer uma medição direta da força de Van der Waals entre dois átomos.

© Bjørn Christian Tørrissen (pata de lagartixa apoiada num vidro)

Eles fizeram isso, aprisionando dois átomos de Rydberg com um laser e, em seguida, mediram a força em função da distância que os separa. Os dois átomos estavam em um estado quântico coerente e os pesquisadores acreditam que seu sistema poderia ser usado para criar portas lógicas quânticas ou realizar simulações quânticas de sistemas da matéria condensada.
A força de Van der Waals entre átomos, moléculas e superfícies faz parte da vida cotidiana de muitas maneiras diferentes. Aranhas e lagartixas a utilizam para subir paredes lisas, por exemplo, e também  dentro de nossos corpos elas ocorrem na duplicação das proteínas.
Nomeada em homenagem ao cientista holandês Johannes Diderik van der Waals, quem primeiro propôs em 1873 para explicar o comportamento dos gases, é uma força muito fraca, que só se torna relevante quando moléculas e átomos  estão muito próximos uns dos outros. Flutuações na nuvem eletrônica de um átomo significa que ele vai ter um momento de dipolo instantâneo. Isto pode induzir um momento de dipolo em um átomo disponível, sendo o resultado de uma interação atrativa dipolo-dipolo.
Houve muitas medidas indiretas das forças de Van der Waals entre os átomos. Exemplos incluem a análise das forças líquidas em corpos macroscópicos ou na espectroscopia para verificar o comportamento de longo alcance da força entre dois átomos em uma molécula diatômica. No entanto, a medição direta iludiu os cientistas até agora.
Esta última pesquisa foi feita por pesquisadores do Laboratoire Charles Fabry (LCF) e da Universidade de Lille. "O que temos feito aqui, pela primeira vez ao nosso conhecimento, é medir diretamente a interação de Van der Waals entre dois átomos individuais que estão localizados a uma distância controlada", diz Thierry Lahaye, que faz parte da a equipe LCF.
Controlando a distância entre os átomos normais, enquanto se mede a força entre elas, é extremamente difícil, porque as distâncias relevantes são pequenas. Para contornar este problema, a equipe usou átomos de Rydberg, que são muito maiores do que os átomos normais. Esses átomos têm um elétron em um estado excitado. Isto significa que eles têm um grande momento de dipolo instantâneo, e, portanto, deve ter muitas interações fortes de Van der Waals em distâncias relativamente longas. Eles também têm propriedades únicas que lhes permitem ser controlado com uma grande precisão no laboratório.
A experiência começa com dois átomos de rubídio presas em dois feixes de laser focado estreitamente separadas por alguns micrômetros. A luz laser no comprimento de onda específico é então aplicada nos átomos, que leva o sistema a oscilar entre o estado fundamental e um ou dois átomos de Rydberg. A equipe descobriu que, quando as condições eram perfeitas, o sistema oscila entre o estado fundamental e um par de átomos de Rydberg, um em cada foco do laser. Ao medir essas oscilações, a equipe analisou o vigor da força de Van der Waals entre os dois átomos de Rydberg.
Ao ajustar a precisão do feixe de laser, a equipe conseguiu mover os átomos de Rydberg mais próximos ou mais distantes. Ao mudar a distância R entre os átomos, a força variou 1/R⁶, exatamente como esperado pela força de Van der Waals.
Além da medição da força, a equipe também foi capaz de mostrar que a evolução quântica do estado dos dois átomos de Rydberg interagindo foi totalmente coerente, algo que "nunca foi visto na física atômica", afirma Antoine Browaeys, membro do grupo LCF.
Assim como a lógica quântica
Esta evolução coerente de dois átomos interagindo é idêntica à de um porta lógica quântica em funcionamento em dois bits quânticos (qubits).
Com efeito, o significado a longo prazo desta experiência não é a medida da força em si, mas sim ao elevado grau de controle dos átomos de Rydberg que tenham alcançado. "Isso nos permitirá projetar pequenos sistemas quânticos de tamanho crescente, de dois a algumas dezenas de átomos de Rydberg, sobre os quais temos controle total das interações", explica Lahaye.
Tais sistemas podem encontrar uso no processamento de informação quântica ou na simulação quântica de sistemas da matéria condensada, como ímãs quânticos.
Steven Rolston do Joint Quantum Institute da Universidade de Maryland, que não esteve envolvido no estudo, chama o trabalho um marco importante para a criação de dispositivos de informação quântica, porque mostra que a interação de Van der Waals entre qubits atômicas se comporta como esperado.

Fonte: Physical Review Letters

O sutil comportamento nuclear com neutrinos

Neutrinos são conhecidos por serem pouco interativos, quase sempre passando por átomos de matéria sem interagir.

© Fermilab/MINERvA (detector de neutrinos)

Mas uma nova pesquisa indica que, na rara ocasião em que um neutrino e um núcleo atômico fazem contato, a interação é surpreendemente intensa.
Lançando um feixe de neutrinos em um alvo plástico, pesquisadores do experimento MINERvA, do Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Batavia, no estado de Illinois, descobriram que quando um neutrino colide com um átomo ele frequentemente libera não apenas um próton ou nêutron, mas dois. Algumas das partículas dentro dos núcleos atômicos, ao que parece, estão se juntando em vez de se moverem independentemente, apenas para se soltarem em pares quando um neutrino as atinge. Os resultados terão implicações para medições precisas de neutrinos, que frequentemente dependem de reconstruir cuidadosamente a física de colisões raras entre neutrinos e átomos.
O MINERvA, um aparato do tamanho de um trailer, fica localizado no caminho do feixe de neutrinos do Fermilab, quase todos os neutrinos passam tranquilamente através do detector e atingem outro experimento de neutrinos, chamado MINOS.
O detector do MINERvA contém uma variedade de materiais diferentes, incluindo camadas de chumbo e ferro cobrindo o material plástico de hidrocarboneto do detector interno. “Ele é borrachudo do lado de dentro e crocante do lado de fora”, brinca Deborah Harris, física do Fermilab. “Um dos objetivos é medir a interação de neutrinos com vários núcleos diferentes”.
Agora o experimento produziu seus primeiros resultados físicos, uma análise de interações de neutrinos com núcleos de carbono na porção plástica do detector.
Em dois novos estudos que aparecerão no periódico Physical Review Letters, a colaboração MINERvA relata vários meses de operação experimental em 2010 e 2011.
As análises se concentram no chamado ‘espalhamento quase-elástico’, que no caso mais simples envolve um neutrino colidindo com um nêutron de um dos átomos de carbono.
A interação dessas duas partículas eletricamente neutras produz duas partículas com cargas opostas, um próton com carga positiva e um múon com carga negativa, que se espalham para fora como bolas de bilhar. “Ele ejeta um próton, e deixa o resto do núcleo basicamente intocado”, observa Harris. “Em algumas frações de tempo, parece que mais de um próton está saindo de lá”.
A aparição de um próton extra junto de um nêutron transformado em próton indica que neutrinos tendem a atingir pares de partículas. “Em 25% das vezes, com alguns erros, prótons ficam viajando por aí com nêutrons”, explica Harris.
Os físicos observaram uma tendência semelhante em reações análogas envolvendo antineutrinos, a contraparte de antimatéria dessas partículas. “Digamos que o núcleo de carbono realmente tenha seis pares de prótons e nêutrons” em vez de uma dúzia de partículas independentes, propõe Harris, “então sempre que você atingir um próton, você também estará atingindo um nêutron. Essa é uma espécie de imagem extrema do que pode estar acontecendo no núcleo”.
Neutrinos e antineutrinos vêm em três ‘sabores’ – elétron, múon e tau – cada um deles é associado com uma partícula elementar carregada com o mesmo nome.
Mas enquanto um neutrino viaja pelo espaço quase à velocidade da luz, ele oscila entre os três sabores possíveis, um fenômeno que vários experimentos ao redor do mundo estão investigando atualmente.
A tendência direcionada a pares nucleares documentada no MINERvA poderia informar a análise desses experimentos de oscilação de neutrinos. “Isso não está explicado nas simulações de interações de neutrinos em todos esses experimentos de oscilação”, observa Harris. “Para prever qual era a energia do neutrino ao chegar, você tem que fazer algumas suposições sobre o que estava acontecendo no núcleo naquele momento. 
O físico John Arrington, do Laboratório Nacional Argonne, não envolvido na nova pesquisa, adiciona: “Você realmente tem que entender esses mecanismos de reação para saber o que está acontecendo em experimentos onde neutrinos se espalham a partir do núcleo atômico. Isso simplesmente não era possível com os tipos de experimentos de espalhamento de neutrinos que foram realizados no passado”.

Fonte: Scientific American Brasil

Núcleo de átomo com formato de pera

Cientistas identificaram pela primeira vez um núcleo de átomo com o formato que se assemelha ao de uma pera.

© CERN (núcleo de um isótopo de rádio-224 em formato de pera)

Embora a forma já tivesse sido prevista na teoria, ainda não havia evidências de nenhum átomo com esse formato, apenas de núcleos esféricos ou ovalados, com um formato que lembra uma bola de rúgbi.

Tudo que existe no Universo é feito de átomos, e eles são pequenos demais para que possamos vê-los. Para identificar o formato dos átomos, os cientistas usaram um acelerador de partículas, chamado REX-ISOLDE, do Centro Europeu de Pesquisas Nucleares (CERN), na Suíça, e mediram os padrões de radiação eletromagnética.

O formato do núcleo de um átomo é determinado pela interação entre as partículas que o compõem, os prótons e os nêutrons. Quando a relação entre eles é bem equilibrada, o núcleo assume suas formas mais típicas, a esférica e a ovalada.

O núcleo em forma de pera, de acordo com a teoria, só ocorreria em átomos pesados e instáveis, como os de alguns elementos radioativos. É o caso dos elementos que foram usados na atual pesquisa: os isótopos de radônio-220 e de rádio-224.

A descoberta é importante para a física teórica, pois melhora a compreensão dos cientistas sobre a estrutura dos átomos. Segundo Christopher Lister, pesquisador da Universidade de Massachusetts, nos EUA, a evolução dos aceleradores e detectores de partículas deve levar a medições cada vez mais precisas dos átomos.

O estudo foi liderado por Liam Gaffney e Peter Butler, da Universidade de Liverpool, na Inglaterra.

Fonte: Nature

Nova partícula subatômica é descoberta

Uma equipe internacional de cientistas que operam o Experimento BESIII no Beijing Electron Positron Collider na China recentemente descobriu uma uma nova partícula.

© Chinese Academy of Sciences (BES III)

O estudo visa a compreensão da partícula anômala Y (4260). Durante uma observação notável e inesperada, o grupo relatou que a partícula Y (4260) decaiu numa nova partícula, e talvez ainda mais misteriosa, que deram o nome de Zc (3900).
Desde a sua descoberta de 2005 pelo experimento BaBar no SLAC National Laboratory em Stanford, na Califórnia, a partícula Y (4260) continua a mistificando os pesquisadores. Enquanto as outras partículas que partilham certas semelhanças com o Y (4260) têm sido explanadas como exemplos de um par de quarks (quark charm e anti-quark charm) emparelhados numa interação devido a força forte da física de partículas, as tentativas para integrar o Y (4260) a este modelo falharam, e sua natureza subjacente permanece desconhecida.
No final de dezembro de 2012, a equipe BESIII embarcou em um programa de pesquisa para produzir um grande número de partículas Y (4260) aniquilando elétrons e anti-elétrons (pósitrons) com uma energia total que corresponde à massa do Y (4260). Uma vez produzido, o Y (4260) decai rapidamente, e seus produtos de decaimento são medidos com o detector de partículas BESIII. Segundo o Prof Xiaoyan Shen, do Instituto de Física de Altas Energias, da Academia Chinesa de Ciências, "o objetivo do nosso programa é entender os vários processos pelos quais os Y (4260) decai com a esperança que isso irá fornecer pistas sobre a sua estrutura interna e, assim, produzir novos conhecimentos sobre o funcionamento da força forte, que é responsável por manter os quarks juntos dentro de partículas subatômicas."
Embora comumente conhecidas as partículas subatômicas, como o próton e do nêutron, são compostos relativamente quarks leves up e down, o experimento BESIII é especializado para o estudo da matéria que contém os quarks charm mais pesados. A partícula J/ψ, por exemplo, que é conhecida por ser composta por um quark charm e um anti-quark charm unidos pela força forte, pode ser copiosamente produzidas no colisor em Beijing. "Até o momento, o BESIII tem produzido mais de um bilhão de partículas J/ψ na aniquilação elétron-pósitron", segundo o professor Fred Harris, da Universidade do Havaí. A partícula J/ψ é fundamental no sistema de várias configurações possíveis de quarks charm e anti-quarks charm, chamada de méson "charmonium. Mas as recentes descobertas de várias novas partículas, incluindo a Y (4260) e agora o Zc (3900)  sugerem que estruturas mais complexas têm que ser considerados.
Estudos anteriores sobre a Y (4260) utilizaram feixes de elétrons e pósitrons com uma energia total, que era muito superior ao que corresponde à massa do Y (4260). Nestas experiências, os mésons Y (4260) foram produzidos através do processo relativamente raro em que um elétron ou pósitron do feixe original irradia uma alta energia de raios gama, diminuindo assim a energia total da aniquilação para a região de massa da Y (4260). Quando elétrons e pósitrons colididem com uma energia correspondente à massa Y (4260), ela pode ser formada, e isto, na verdade, levou à sua descoberta inicial.
As partículas anômalas de charmonium, como a Y (4260) e, agora, o Zc (3900), parecem ser membros de uma nova classe de recém-descobertas partículas subatômicas, chamadas mésons XYZ, que estão incrementando novas dimensões para o estudo da força forte em que quarks e anti-quarks exercem sobre si. Na teoria mais aceita destas forças, cromodinâmica quântica (QCD), há mais possibilidades para os mésons charmonium do que simplesmente um quark charm ligado a um anti-quark charm. Algumas teorias predizem que glúons, as partículas que mediadoras das forças entre quarks, podem eles próprios existirem dentro de mésons em um estado excitado, uma configuração denominada "charmonium híbrido". Outra possibilidade proposta é que mais do que apenas um par de quark charm e um anti-quark charm podem ser unidos para formar "tetraquark" ou mésons.
Em princípio, a QCD poderia ser utilizada para determinar as propriedades dessas configurações mais exóticas. O problema é que, quando é aplicada a QCD em situações como estas, as equações que se seguem são impossíveis de resolver, pelo menos, não por meio de técnicas normais. Algum progresso tem sido feito recentemente através de métodos numéricos com computadores muito potentes para resolver as equações aplicáveis à ​​QCD, e há indicações de que estes métodos, referidos como "rede QCD," pode vir a ser capaz de explicar a existência do Y (4260) como um estado de charmonium híbrido.
No entanto, o quadro híbrido, não pode explicar a recém-descoberta Zc (3900), que decai em méson π+ e J/ψ neutra e, portanto, apresentando uma carga elétrica. A Zc (3900) possui uma massa ligeiramente mais elevada do que a de um átomo de hélio, devendo conter um quark charm e um anti-quark charm oriundos da partícula J/ψ. Mas essa configuração é eletricamente neutra. Adicionando um glúon para formar um híbrido não ajuda, porque glúons também são eletricamente neutros. Deste modo para ter uma carga elétrica diferente de zero a Zc (3900) também deve conter quarks mais leves. Diferentes modelos teóricos têm sido propostos que tentam explicar como isso poderia acontecer. A partícula de carga positiva Zc (3900) poderia estar vinculada a um composto com quark charm, quark anti-charm, quark up e quark down. Ou, talvez, a Zc (3900) é uma estrutura constituída por dois mésons, cada um dos quais contendo um quark charm (ou anti-quark charm) ligado a um anti-quark (ou quark). Outro cenário é que o Zc (3900) é um artefato da interação entre estes dois mésons. Quando novos resultados experimentais forem obtidos como insumos para a teoria, será possível um entendimento mais completo das partículas XYZ descobertas nos últimos anos.

Um artigo sobre a pesquisa foi submetido à Physical Review Letters.

Fonte: Institute of High Energy Physics

Triângulos emissores de luz

Pesquisadores nos EUA conseguiram pela primeira vez produzir naturalmente camadas únicas de átomos do mineral tungstenite.

© Terrones Lab (camadas triangulares de tungstenite)

As folhas parecem ter propriedades de fotoluminescência invulgares que podem ser exploradas em dispositivos ópticos como lasers e diodos emissores de luz.
Os materiais 2D têm diferentes propriedades eletrônicas e mecânicas de seus pares em 3D e assim é possível encontrar utilidade em uma variedade de aplicações de dispositivos inovadores. Até agora, no entanto, a maioria das pesquisas neste campo centrou-se sobre o mais famoso dos materiais 2D, o grafeno, mas o fato de que esse material não tem um gap eletrônico direto significa que outros candidatos 2D também devem ser explorados.
Uma equipe liderada por Mauricio Terrones e Crespi Vicente da Penn State University, nos EUA, produziram monocamadas de tungstenite (WS₂). Depositando minúsculos cristais de óxido de tungstênio com menos de um nanômetro de altura e, em seguida, passando estes cristais de enxofre em vapor com altas temperaturas de 850 °C. O resultado gerou monocamadas de dissulfureto de tungstênio dispostas num padrão com formato colmeia de abelha triangular que compreendem átomos de tungstênio ligados a átomos de enxofre.
Foi observado que esses triângulos brilham fortemente em suas bordas, ao invés dos seus centros; um efeito de fotoluminescência periférico que nunca obtido e que não tem sido relatado antes.
A fotoluminescência ocorre quando os portadores de carga (elétrons e lacunas) recombinam numa estrutura para emitir luz de um comprimento de onda diferente do que é utilizado para excitar o primeiro material. Os defeitos estruturais criados perto das bordas de um triângulo parece ser o lugar privilegiado para emissão de luz.
Os sistemas 2D são intrinsecamente diferentes dos seus homólogos a granel em 3D, e o WS₂ não é exceção. Enquanto o material a granel é um semicondutor de gap indireto, o material de camada única, dispõe de um gap direto. Os gaps diretos são importantes em semicondutores, porque permitem que os dispositivos feitos a partir destes materiais emitem luz eficientemente.
Segundo a equipe, os triângulos de WS₂ podem ser apliacados em optoeletrônica. Futuramente, eles poderão até vir a calhar como biomarcadores ou em tecnologia a laser.
Os pesquisadores agora planejam produzir outros materiais 2D que têm diferentes propriedades ópticas e eletrônicas. Alguns exemplos incluem MoSe₂, NbS₂ e WSe₂. A equipe almeja compreender e controlar a emissão de luz a partir de materiais 2D com melhor eficiência, e tentar esculpir os triângulos em múltiplos dispositivos.

Fonte: Nano Letters

A quebra o limite de Chandrasekhar?

As anãs brancas que se formam em campos magnéticos extremos podem ser estabilizadas, permitindo-lhes a se tornarem maiores antes de explodirem, de acordo com uma equipe de pesquisadores na Índia.

© NASA/MPIA/Calar Alto Observatory (supernova Tycho - SN 1572)

As supernovas do tipo Ia, causada pela explosão de anãs brancas, são muitas vezes utilizadas por astrônomos como “velas padrão” para calcular a distância de um ponto no espaço, porque eles são extremamente brilhantes e geralmente têm luminosidade semelhante. Mas algum tipo anormalmente brilhante de supernova Ia  pode ter sido observada recentemente e o novo trabalho pode fornecer uma explicação.
Uma anã branca é uma estrela que tem usado todo seu hidrogênio e hélio e está no estágio para queimar carbono. Por conseguinte, colapsou em um estado extremamente denso. Com nenhuma fonte de energia, que brilha somente por causa do calor residual, e ao longo de bilhões de anos, vai esfriar e se tornar uma anã negra, se permanecer em repouso.
Em 1935, o astrofísico indiano Subrahmanyan Chandrasekhar mostrou que uma estrela não geraria uma anã branca se sua massa fosse maior do que 1,44 massas solares, porque a temperatura do núcleo seria suficiente para inflamar a fusão de carbono. Se a massa de uma estrela aumentasse para além deste “limite de Chandrasekhar” depois do colapso para formar uma anã branca, a estrela encolhe ainda mais. A perda de energia potencial gravitacional provoca um aumento da temperatura, e um processo de fusão de fuga começa, criando uma grande explosão termonuclear que destrói a estrela em segundos.
Porque supernovas do tipo Ia são quase sempre formada pela explosão termonuclear de um objeto com aproximadamente a mesma massa, elas têm quase sempre o mesmo brilho. Observações de supernovas do tipo Ia distantes provou que a expansão do Universo estava se acelerando, uma descoberta recompensada com o Prêmio Nobel 2011 de Física. No entanto, houve um pequeno número de observações preocupantes recentemente nas proximidades de supernovas do tipo Ia que são anormalmente brilhante, e que parecem ter sido formadas pela detonação de uma anã branca bem acima do limite de Chandrasekhar. A ausência de um modelo satisfatório para a forma como estas poderiam ser produzidas colocou um ponto de interrogação sobre o uso de supernovas do tipo Ia como “velas padrão” para a observação de galáxias distantes.
Na nova pesquisa, Upasana Das e Banibrata Mukhopadhyay do Instituto Indiano de Ciência, em Bangalore sugerem que estas anãs brancas “super-Chandrasekhar” podem ocorrer em campos magnéticos muito altos. Tais campos poderiam estabilizar uma anã branca de massa até 2,58 massas solares por um processo conhecido como quantização Landau. Isto iria aumentar a resistência do remanescente estelar do colapso gravitacional, permitindo que ele continue a acreção de massa até atingir um limite superior.

Mas como tais campos magnéticos podem ser gerados?

Das e seus colegas destacam que os campos magnéticos de 10⁷–10⁸ G (Gauss) podem ser detectados em cerca de 25% de anãs brancas durante a acreção. Se tal estrela colapsa, o fluxo magnético é conservado, ao passo que o raio é reduzido drasticamente. Os campos magnéticos, por conseguinte, tornam-se ordens de magnitude mais forte.
Mukhodpadhyay acredita que a equipe precisa se concentrar em observar uma amostra maior de anãs brancas altamente magnetizadas na esperança de observar campos acima de 10⁹ G. Porém, um aumento no campo pode não ser detectável durante a acreção da anã branca devido à blindagem magnética.
A existência anãs brancas “super-Chandrasekhar” é uma grande mudança de paradigma na compreensão da existência de anãs brancas e vários dos resultados relacionadosdeverá examinado sob essa luz. É cedo inferir que o modelo tem quaisquer implicações diretas para a taxa de expansão do Universo.
Jeffrey Silverman, um astrofísico da Universidade do Texas, em Austin, diz que o trabalho apresenta “um aumento impressionante na massa da anã branca que corresponde as observações recentes”. Ele é mais cético, no entanto, sobre as reivindicações dos pesquisadores de uma mudança de paradigma. Temos visto muito poucos destes objetos “super-Chandrasekhar”. É altamente improvável que os cálculos da história do Universo apresente muitos desses objetos!

Fonte: Physical Review Letters

Nanoestruturas brilham com feixes de elétrons

Ponha um pedaço de quartzo sob um microscópio eletrônico e ele brilhará com um azul gelado.

© Elizabeth M. King (catodoluminescência do clinopiroxênio)

Esse fenômeno, descoberto nos anos 1960, é chamado de catodoluminescência, deu a geólogos uma maneira fácil de identificar quartzo e outros minerais em amostras de rocha. Mas a luz, emitida após um feixe de elétrons induzir elétrons do material  observado a um estado de energia mais alta, é tênue e difuso, o que desencorajou outros cientistas a usá-lo para aproveitar suas imagens de fina-escala. 
Agora um grupo holandês descobriu uma maneira de coletar e concentrar um tipo particularmente tênue e localizado de catodoluminescência que tinha sido ignorado anteriormente, transformando o brilho em uma sonda precisa da estrutura de um material em nanoescala. Os pesquisadores esperam que a tecnologia chegue ao mercado ainda neste ano, dando aos cientistas de materiais uma nova ferramenta para investigar o comportamento da luz no interior das complexas nanoestruturas usadas em lasers, circuitos baseados em luz e células solares.
“Nós construímos um sistema catodoluminescente que é único no mundo”, declara Albert Polman, físico do Instituto FOM de Física Atômica e Molecular (AMOLF), em Amsterdã.
A técnica combina as vantagens de imageamentos óticos e eletrônicos. Um feixe de elétrons pode, em princípio, alcançar uma resolução de menos de um nanômetro, se comparado com as centenas de nanômetros de um feixe de luz. Mas mapas feitos por elétrons espalhados ou refletidos não são tipicamente sensíveis à maneira como a luz se comporta no interior de uma amostra.
A catodoluminescência, em contraste, pode mapear a interação entre a luz e matéria – mas, por ser disparada por um estreito feixe de elétrons, ela promete a mesma resolução em escala nanométrica que esses sistemas conseguem alcançar.
“Isso abriu a porta para compreendermos como a luz se acopla à matéria de maneira mais fundamental”, explica Harry Atwater, físico do Instituto de Tecnologia da Califórnia, em Pasadena, que fez trabalhos sobre catodoluminescência com Polman no passado, mas não se envolveu no trabalho com a última técnica.
A chave do sistema é o alinhamento ultrapreciso da amostra. O dispositivo inclui um espelho parabólico cuidadosamente moldado que coleta fótons enquanto eles emergem de uma amostra bombardeada com elétrons. Isso os envia por um sistema de lentes e um espectrômetro para determinar a origem e energia da luz. O dispositivo é sensível o bastante para registrar um sinal vindo até mesmo de materiais que quase não são luminescentes, como metais. Assim como nas antigas televisões de tubo de raio catódico, o feixe de elétrons varre a amostra para construir uma imagem linha por linha.
O grupo holandês, junto com colaboradores dos Estados Unidos e da Espanha, já usou a técnica para descobrir como certas nanoestruturas interagem com a luz. Em um artigo recente estudando uma estrutura em camadas de prata, vidro e silício, eles mostram que a velocidade de fase da luz visível, a velocidade à qual os picos e vales da onda viajam através do material, é tão rápida que está, na prática, viajando em um vácuo, a explicação para o índice refrativo geral do material ser zero (E. J. R. Vesseur et al. Phys. Rev. Lett. 110, 013902; 2013).
O efeito já tinha sido previsto para essas estruturas em camadas, chamadas de metamateriais, mas observá-lo requeria um mapa da emissão de luz com uma resolução maior que a que podia ser produzida por técnicas anteriores. A equipe também mapeou a distribuição de luz em nanodiscos de silício que são usados como cobertura em células solares para melhorar sua eficiência, e nas cavidades ultrapequenas de cristais fotônicos, componentes de lasers baseados em chip e diodos emissores de luz (LEDs).
O físico óptico Lukas Novotny do Instituto Federal de Tecnologia Suíço, em Zurique, aponta que a catodoluminescência poderia ser útil para melhorar o desempenho de dispositivos emissores de luz e células solares porque os mapas de emissão de luz criados com a técnicas refletem a densidade local de estados eletromagnéticos, uma quantidade que determina o quanto a luz se acopla à matéria, e vice-versa. “Essa informação é a chave”, observa ele.
A empresa start-up Delmic, com sede em Delft, na Holanda, licenciou a técnica de catodoluminescência do AMOLF, e Polman acredita que a companhia em breve venderá os dispositivos para pesquisadores de materiais em universidades por valores entre US$100 e US$200 mil dólares; em seguida ela pode se voltar para as indústrias de laser, semicondutores e de células solares. Ele também percebe que, ao vender o sistema, pode estar criando competidores para sua própria pesquisa. Mas ele diz que isso será mais do que compensado pela criação de uma comunidade de cientistas que usando a catodoluminescência fora das fileiras dos geólogos.

Fonte: Nature

O teletransporte da energia magnética

Os físicos, Carles Navau, Jordi Prat-Camps, e Alvaro Sanchez da Universidade Autônoma de Barcelona, ​​na Espanha, "desacoplaram" o magnetismo de sua fonte, o ímã, e transferiram esse magnetismo para outro ponto no espaço, onde ele atuou exatamente como se o ímã estivesse presente.

© Jordi Prat-Camps (teletransporte do campo magnético)

Uma propriedade geral dos campos magnéticos é que decaem com a distância a partir da sua fonte magnética. Mas neste novo estudo, os cientistas mostraram que em torno de uma fonte magnética com
um escudo magnético pode aumentar o campo magnético, uma vez que se afasta da fonte, permitindo transferir energia magnética para um local distante através do espaço vazio.

Ao inverter esta técnica, os cientistas demonstraram que a energia magnética transferida pode ser capturada por uma segunda camada magnética localizada a certa distância a partir da primeira camada. A segunda camada pode em seguida, concentrar a energia magnética capturada em uma pequena região interior. A conquista representa uma capacidade sem precedentes para transportar e concentrar a energia magnética e pode ter aplicações na transmissão sem fios, dos motores elétricos, do armazenamento digital de dados, de exames médicos como ressonância magnética, entre outras.

O escudo magnético poderia também ter aplicações médicas, tais como para biossensores que medem a do cérebro resposta em magnetoencefalografia, uma técnica utilizada para a atividade de mapeamento cerebral.

A base da técnica reside na óptica transformacional, um campo que lida com o controle de ondas eletromagnéticas e envolve metamateriais e mantos da invisibilidade. Enquanto os pesquisadores têm normalmente focado em utilizar a óptica transformacional para controlar a luz, aqui os pesquisadores aplicaram as mesmas ideias para controlar campos magnéticos através da concepção de um escudo magnético com propriedades eletromagnéticas específicas.
Os campos magnéticos isolados e estáticos apresentam deficiências, principalmente devido ao seu curto alcance; um campo magnético decai rapidamente conforme se distancia da sua fonte, enquanto campos eletromagnéticos podem ser transmitidos a grandes distâncias.

Atualmente, é impossível concentrar fortes campos magnéticos em pontos determinados do espaço, o que seria de grande valia para guiar partículas magnéticas dentro do corpo humano para efetuar tratamentos localizados. Os concentradores podem ser fabricados com materiais largamente disponíveis, como ferromagnetos e supercondutores.

Novas soluções para o eletromagnetismo clássico surgirão, criando novos enfoques e possibilidades.

Fonte: Physical Review Letters

Explorando a transição de fótons

Objetos quânticos são notavelmente esquivos. Tome um fóton como exemplo.

© CNRS (explorando a contínua transição de fótons)

O quantum de luz pode agir como partícula, seguindo um caminho bem definido como se fosse um minúsculo projétil; e no momento seguinte agir como uma onda, sobrepondo-se a outras para produzir padrões de interferência muito parecidos com ondulações na água.
A dualidade onda-partícula é uma característica fundamental da mecânica quântica, uma que não se compreende facilmente nos termos intuitivos da experiência cotidiana. Mas a natureza dupla de entidades quântico-mecânicas fica ainda mais estranha. Novos experimentos demonstram que fótons não apenas mudam de ondas para partículas, e de volta para ondas; mas que podem, na verdade, exibir tendências de ondas e partículas ao mesmo tempo. De fato, um fóton pode atravessar um complexo aparato ótico e desaparecer para sempre em um detector sem ter decidido sua identidade – assumindo uma natureza de onda ou partícula só depois de já ter sido destruído.
Há poucos anos, físicos mostraram que um fóton “escolhe” se quer agir como onda ou partícula quando é forçado a isso. Se, por exemplo, um fóton for enviado a um de dois caminhos por um divisor de feixes (uma espécie de bifurcação na estrada ótica), e cada um desses caminhos levar a um detector de fótons, o fóton terá a mesma probabilidade de aparecer em qualquer um dos detectores. Em outras palavras, o fóton simplesmente escolhe uma das rotas e a segue até o fim, como uma bolinha de gude em um tubo. Mas se os caminhos divididos se recombinarem antes dos detectores, permitindo que os conteúdos dos dois canais interfiram como ondas que fluem ao redor de um pilar e se reencontram do outro lado, um fóton demonstra efeitos de interferência ondulatória, essencialmente passando pelos dois caminhos ao mesmo tempo. Se você mede um fóton como uma onda, ele age como uma. 
Pode-se suspeitar que os fótons simplesmente assumem um ou outro comportamento – onda ou partícula – com antecedência, ou quando atingem o divisor de feixes. Mas um experimento de 2007 sobre a “escolha tardia” eliminou essa possibilidade. Físicos usando um interferômetro, um dispositivo experimental que inclui o divisor de feixes, alternaram entre combinar os caminhos e mantê-los separados. Mas eles só decidiam entre um ou outro depois de o fóton ter passado pelo divisor de ondas. Mesmo assim os fótons demonstraram efeitos de interferência quando recombinados, ainda que (pelo menos em um mundo simples) as partículas já devessem ter sido forçadas a escolher qual caminho tomar.
Agora dois grupos de pesquisa utilizaram uma versão ainda mais bizarra do experimento de escolha tardia. Em dois estudos publicados na edição de novembro da Nature, uma equipe sediada na França e um grupo da Inglaterra relataram usar um interruptor quântico para modificar o dispositivo experimental. Exceto que, nesse experimento, o interruptor só foi ativado – assim forçando o fóton a agir como onda ou como partícula – depois que os físicos já haviam identificado o fóton em um dos detectores.
Ao mudar as configurações do dispositivo, as duas equipes não apenas conseguiram forçar o fóton experimental a se comportar como partícula ou onda, mas também conseguiram explorar estados intermediários. “Podemos mudar o comportamento do fóton de teste, de onda para partícula, continuamente”, declara Sébastien Tanzilli, coautor do estudo e físico especializado em ótica quântica do Centro Nacional de Pesquisas Físicas (CNRS) em Paris, que atualmente está na Universidade de Nice Sophia Antipolis. “Entre os dois extremos, nós temos estados que surgem com interferência reduzida. Então temos uma superposição de onda e partícula”.
A chave dos dois experimentos é o uso de um interruptor quântico no aparato, que permite ao interferômetro ficar em superposição para medir comportamentos ondulatórios ou particulados. “Nos tradicionais experimentos de escolha tardia, sempre há um grande interruptor binário clássico em algum lugar do aparato”, explica Peter Shadbolt, coautor do outro estudo e aluno de doutorado em mecânica quântica da University of Bristol, na Inglaterra. “Ele tem ‘onda’ escrito de um lado e ‘partícula’ do outro. O que fazemos é substituir o interruptor clássico com um qubit, um bit quântico, que é um segundo fóton em nosso experimento”.
O interruptor quântico determina a natureza do aparato – se os dois caminhos óticos se recombinam para formar um interferômetro fechado, que mede propriedades ondulatórias, ou se permanecem separados para formar um interferômetro aberto, que detecta partículas discretas. Mas em ambos os casos a abertura ou fechamento do interferômetro – e a passagem do fóton pelo aparato como partícula ou onda, respectivamente – não era determinada até que os físicos medissem um segundo fóton. O destino do primeiro fóton estava ligado ao estado do segundo pelo fenômeno do emaranhamento quântico, em que objetos quânticos compartilham propriedades correlatas. 
No experimento do grupo de Bristol, o estado do segundo fóton determina se o interferômetro está aberto, fechado, ou em uma superposição de ambos, o que por sua vez determina a identidade de partícula do primeiro fóton. “Em nosso caso, essa escolha está mais para uma escolha quântica”, observa Shadbolt. “Sem esse tipo de abordagem, não seríamos capazes de ver essa transformação entre onda e partícula”.
O dispositivo construído pelo grupo de Tanzilli funciona de maneira semelhante, o interferômetro fica fechado para fótons verticalmente polarizados (agem como ondas) e aberto para fótons horizontalmente polarizados (que se comportam como partículas). Tendo enviado um fóton de teste pelo aparato, os pesquisadores mediram um companheiro emaranhado do fóton 20 nanosegundos depois, para determinar a polarização do fóton de teste e assim identificar em qual dos lados da divisão onda-partícula ele estava.
Graças à estrutura do experimento e à natureza do emaranhamento, a natureza de onda ou partícula do fóton de teste só foi determinada quando o segundo fóton foi medido – em outras palavras, 20 nanosegundos depois do fato. “O fóton de teste nasce no interferômetro e é detectado, o que significa que é destruído”, aponta Tanzilli. “Depois disso, determinamos seu comportamento”.  Essa ordem de operações leva o conceito de escolha tardia ao extremo. “Isso significa que espaço e tempo parecem não ter qualquer papel nesse caso”, adiciona Tanzilli.
O pesquisador de informações quânticas Seth Lloyd, do Massachusetts Institute of Technology, em um comentário para a Science que acompanhava os dois artigos, batizou o fenômeno de “procrastinação quântica”, ou “proquanstinação”. “Na presença do emaranhamento quântico (no qual os resultados das medidas são mantidos juntos)”, escreveu ele, “é possível evitar tomar uma decisão, mesmo se os eventos parecerem já terem feito isso”.
Os novos experimentos adicionam outra ruga no estranho mundo da mecânica quântica, onde um fóton aparentemente pode ser o que quiser, quando quiser. “Feynman dizia que esse era o verdadeiro mistério da mecânica quântica”, lembra Shadbolt, falando sobre a dualidade onda-partícula. A mecânica quântica é profundamente estranha, completamente sem análogos clássicos, e tudo o que podemos fazer é aceitá-la assim.

Fonte: Scientific American Brasil