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

Uma maneira de sondar o reino quântico

Em 1930, o físico teórico alemão Werner Heisenberg introduziu um experimento de reflexão, agora conhecido como microscópio de Heisenberg, para tentar mostrar por que é impossível medir a localização de um átomo com precisão ilimitada.

© Revista Física (sondando o reino quântico)

Heisenberg tentou medir a posição de algo como um átomo, atirando luz nele. A luz viaja como uma onda, e Heisenberg sabia que diferentes comprimentos de onda poderia dar-lhe diferentes graus de confiança quando usado para medir onde algo está no espaço. Comprimentos de onda curtos podem fornecer uma medição mais precisa do que os longos, com o intuito de usar a luz com um pequeno comprimento de onda para medir a estrutura de um átomo. Mas há um problema: a luz também carrega momentum, e comprimentos de onda curtos carregam mais força do que os longos.
Isso significa que se for utilizada a luz com um comprimento de onda curto para encontrar o átomo, incidirá no átomo uma força com todo esse ímpeto, que irá chutá-lo ao redor e mudará completamente a sua localização (e outras propriedades) no processo. Usar comprimentos de onda mais longos, o átomo se moverá menos, mas também sua medição será mais incerta.

Isso é um dilema: qualquer medição muda o que você está medindo, e melhores medições conduz à mudanças maiores.

Também é possível preparar átomos num estado emaranhado, o que significa que eles agem cooperativamente como um único átomo, não importa o quão longe eles estão uns dos outros. Ao empurrar um, o restante se movimenta como se tivesse empurrado individualmente. E se um átomo se desordenar, ao lançar um pouco de luz nele, geralmente toda a coleção será desordenada.

No passado, estes dois efeitos tornaram impossível medir como os átomos emaranhados estão organizados sem destruir o arranjo e o emaranhamento, que presumivelmente foram preparados para algum propósito específico, como a construção de um computador quântico.

Mas agora, os físicos liderados por T. J. Elliott, da Universidade de Oxford, no Reino Unido propuseram uma maneira de medir as propriedades em grande escala de um grupo de átomos entrelaçados sem estragar o emaranhamento. Não é medir átomos individuais, que é permanentemente fora dos limites, mas é mais do que os físicos conseguiram fazer antes.

Normalmente, quando os átomos são emaranhados, têm que ter cuidado inicialmente para que os átomos são todos mais ou menos iguais. Se existirem muitos tipos diferentes de átomos, eles se tornam muito mais difícil de igualar-se, portanto, o entrelaçamento torna-se mais frágil.
Mas ainda é possível tornar os grupos estáveis ​​de átomos entrelaçados que têm alguns valores discrepantes entre eles. Os pesquisadores demonstraram que estes valores atípicos podem ser usados para medir aspectos sobre o grupo principal sem desordenar o seu emaranhamento.

Isso inclui informações muito básicas, como a densidade de ocupação dos átomos, enquanto eles estão emaranhados, que historicamente tem sido fora do alcance dos físicos nas experiências individuais.

Antes, os físicos tiveram que medir um grupo inteiro dos átomos emaranhados muito rapidamente, admitindo que eles estavam a alterando as propriedades ao redor, assim que era medido esse primeiro átomo. Mais medições podem verificar mais átomos, mas elas estariam cada vez mais incertas ao longo do tempo.

É óbvio, medições ainda mudam as propiedades um pouco, pois a luz ainda está sendo utilizada e o microscópio de Heisenberg ainda  está sendo aplicado, mas as medições não vão destruir todo o sistema, como eles fariam antes.

Este método de medição dos valores extremos é uma janela num novo reino para os físicos, que podiam anteriormente só ver o que  átomos emaranhados faziam, não o que eles estão fazendo.

Os pesquisadores simulou um sistema simples mostrando matematicamente que isso deve funcionar com uma ampla gama de sistemas quânticos onde o emaranhamento desempenha um papel fundamental. E pequenas alterações no método pode torná-lo possível medir as propriedades como a magnetização de átomos emaranhados, em vez de apenas a sua densidade.

Fonte: Physical Review A

Cristal líquido descrito pela Relatividade

Pesquisadores brasileiros e norte-americanos acabam de resolver um quebra-cabeça que há um século desafiava os físicos.

© PRL (simulação da superfície de um cristal líquido esmético)

O grupo utilizou simulação computacional para explicar a microestrutura dos cristais líquidos esméticos. Trata-se de uma fase do material na qual as moléculas se dispõem em centenas de camadas curvas igualmente espaçadas, separadas umas das outras por distâncias nanométricas.

Em cada camada, as moléculas podem se movimentar livremente, como nos líquidos. Mas, em cada região do material, as camadas apresentam um ordenamento espacial, como ocorre com esferas concêntricas. Diferentes conjuntos de camadas eventualmente se interceptam, produzindo “defeitos”. Estes, com frequência, apresentam a forma de segmentos de elipses, parábolas ou hipérboles – curvas que, desde a Antiguidade, são chamadas de “cônicas”, pelo fato de poderem ser geradas pela intersecção de um cone por um plano.

Assim, quando confinado entre duas lâminas e observado ao microscópio, o cristal líquido esmético tem a aparência de um mosaico, cujas partes componentes são delimitadas por segmentos de cônicas.

“Esses padrões cônicos vinham sendo estudados há mais de um século, a partir do trabalho pioneiro do físico e mineralogista francês Georges Friedel (1865 – 1933), realizado em 1910. Foi ele quem deduziu que, para formar tais padrões ao ser confinado entre as lâminas do microscópio, o cristal líquido esmético precisava ser constituído por camadas igualmente espaçadas de moléculas”, disse Danilo Barbosa Liarte, primeiro autor do artigo e atualmente trabalhando na Cornell University, nos Estados Unidos.

“O grande desafio era entender como seria possível preencher o espaço com essas cônicas. Conseguimos solucionar o problema fazendo uma analogia entre a estrutura dos cristais líquidos esméticos e a estrutura das martensitas, uma fase cristalina do aço”, afirmou o pesquisador.

Assim chamadas em homenagem ao metalurgista alemão Adolf Martens (1850 – 1914), as martensitas também apresentam uma estrutura peculiar, combinando regiões de deformação e orientação distintas. E é isso que lhes confere uma dureza muito superior às de outras formas de aço. Mas é importante ressaltar que os cristais líquidos esméticos e as martensitas são materiais completamente diferentes. O que têm em comum são suas microestruturas, na qual coexistem diversas configurações compatíveis de baixa energia.

As linhas cônicas que aparecem no cristal líquido esmético são chamadas de “defeitos” porque ocorrem nos locais em que um determinado conjunto de camadas moleculares concêntricas é interrompido e as moléculas contíguas situadas além da linha se apresentam dispostas em outro conjunto. Os defeitos são as intersecções entre esses dois conjuntos. E os conjuntos distintos constituem as variantes do cristal líquido esmético.

“Por analogia com as martensitas, essas variantes podem ser pensadas como deformações de uma estrutura básica. No caso das martensitas, a célula unitária se deforma ao longo de uma das três direções – comprimento, largura e altura. E cada deformação define uma variante. As diversas variantes se combinam segundo um princípio de mínima energia, sujeito às condições de contorno”, explicou Liarte.

Porém existe uma importante diferença que torna o estudo dos esméticos muito mais desafiador do que o estudo das martensitas. É que, no caso das martensitas, as configurações de baixa energia podem ser descritas como simples rotações tridimensionais das variantes cristalinas. Porém, no caso dos esméticos, os mínimos de energia podem ser produzidos também por outros tipos de transformações. E foi em relação a esse tópico que Liarte e colegas deram sua contribuição mais interessante, ao utilizarem as transformações de Lorentz para fazer a passagem de uma variante a outra.

Estabelecidas pelo físico holandês Hendrik Lorentz (1853 – 1928), as transformações de Lorentz são um conjunto de equações que descrevem como as medidas de espaço e tempo se alteram quando realizadas em sistemas de referência inerciais diferentes. Utilizadas posteriormente por Einstein, essas equações constituem o arcabouço matemático da teoria da relatividade especial, publicada em 1905.

“Um dos nossos colaboradores, Randall Kamien, da University of Pennsylvania, deduziu recentemente que os diferentes conjuntos de camadas do esmético podiam ser relacionados uns com os outros pelas mesmas equações da relatividade especial, com a condição de se substituir a variável tempo (t) das transformações de Lorentz por uma grandeza que conta o número de camadas do cristal líquido. Essas equações permitem descrever, por exemplo, as mudanças de excentricidade entre as diversas cônicas”, informou Liarte.

Para descrever todas as variantes possíveis, os pesquisadores utilizaram quatro tipos de transformações: rotações, translações, dilatações e transformações de Lorentz. Esses quatro tipos de transformações compõem a chamada invariância de Weyl-Poincaré, que contém todas as formas de simetria da relatividade especial.

O artigo comunicando o resultado é a capa da edição de 8 de abril de 2016 da revista Physical Review Letters: “Weirdest martensite: smectic liquid crystal microstructure and Weyl-Poincaré invariance”.

Fonte: FAPESP (Agência)

O valor da constante de acoplamento forte

O valor de um dos parâmetros fundamentais da física, a constante de acoplamento forte (que conecta quarks e glúons, dando origem a hádrons, como os prótons e os nêutrons), determinado pelo pesquisador da Universidade de São Paulo (USP) Diogo Boito e colaboradores, acaba de ser acolhido pelo Particle Data Group (PDG), rede internacional que estabelece as medidas de várias grandezas físicas.

© D. Boito (esquema do decaimento do lépton tau)

A imagem acima mostra o esquema do decaimento do lépton tau feito pelo pesquisador. O tau decai em um neutrino e em um bóson W (em azul). Os quarks são produzidos pelo W e interagem fortemente (bolha rosa), formando os hádrons que são detectados (píons e káons). O processo possibilita determinar um valor para a constante de acoplamento forte.

Boito é professor do Instituto de Física de São Carlos (IFSC-USP). E o valor por ele determinado havia sido publicado há cerca de um ano na revista Physical Review D: “Strong coupling from the revised ALEPH data for hadronic τ decays”.

“A interação entre quarks e glúons é descrita pela Cromodinâmica Quântica (Quantum Cromodynamics – QCD). E, nessa teoria, a constante de acoplamento forte, α_s (alpha_s), desempenha papel fundamental. Mas, como essa constante não pode ser medida diretamente, vários grupos de pesquisadores procuram determiná-la de modo indireto, confrontando as predições teóricas com diferentes dados experimentais. Nosso valor foi obtido por meio do decaimento do lépton tau,” disse o pesquisador.

Boito conduz atualmente a pesquisa “Determinação precisa de parâmetros fundamentais da QCD”, apoiada pela FAPESP por meio do programa Jovens Pesquisadores em Centros Emergentes.

A interação forte é a mais poderosa força conhecida. Em uma situação típica, essa interação chega a ser centenas de vezes maior do que a da interação eletromagnética e até 10¹¹ vezes maior que a interação fraca e 10³⁹ vezes maior que a interação gravitacional. Por isso, os quarks e os glúons ficam confinados nos volumes diminutos dos hádrons (da ordem de 10^-13centímetros), e não podem ser encontrados livremente na natureza. “Esse confinamento é um dos fatores que tornam tão difícil a determinação da constante de acoplamento forte”, explicou Boito.

O recurso utilizado por ele e por seus colaboradores foi trabalhar com dados obtidos no decaimento do lépton tau (τ). Essa partícula é da mesma natureza do elétron, porém possui massa aproximadamente 3.500 vezes maior. É produzida nos grandes aceleradores de partículas, por exemplo, pela colisão de elétron e antielétron, e dura, em média, apenas 2,9 x 10^-13 segundos. Ao decair, o tau produz várias partículas de massa menor. Em um dos decaimentos possíveis são produzidos, entre outras partículas, o quark up e o quark down, que interagem fortemente. Foi esse tipo de decaimento que possibilitou a Boito determinar, indiretamente, um valor para α_s.

Um aspecto singular dessa determinação decorreu do fato de a massa do tau ser relativamente baixa. Isso fez com que fosse possível verificar uma previsão teórica conhecida como “liberdade assintótica”, que deu o Prêmio Nobel de Física de 2004 a David Gross, David Politzer e Frank Wilczek. Segundo essa previsão, o valor de α_s é menor em energias mais altas e maior em energias mais baixas; ou seja, o valor não é propriamente constante. “Nossa determinação contribui para corroborar essa previsão na região de energias baixas,” afirmou o pesquisador.

Como a determinação pode ser feita também de outras maneiras, valores ligeiramente diferentes são obtidos por diversos grupos de pesquisa. As determinações são avaliadas pelos especialistas do PDG e, quando consideradas consistentes, seus valores são incorporados ao rol acolhido pela colaboração internacional. A partir dessa lista, o PDG publica um valor médio internacional, que serve de referência para todos os pesquisadores da área e que é atualizado a cada dois anos. A constante de acoplamento forte é um número puro, adimensional. O último valor médio, publicado em fevereiro de 2016, que agrega o resultado de Boito e colaboradores, foi de α_s = 0,1181 ± 0,0013.

Fonte: FAPESP (Agência)

Detectadas ondas gravitacionais

As ondas gravitacionais, as ondulações cósmicas que distorcem o espaço-tempo, foram diretamente detectadas pela primeira vez.

© Rochester Institute of Technology (fusão de dois buracos negros)

Em um anúncio feito no dia 11 de fevereiro de 2016, os pesquisadores do Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) relataram a detecção de ondas gravitacionais. O sinal captado pelo LIGO veio da colisão de dois buracos negros, e foi detectado no dia 14 de setembro de 2015 por detectores gêmeos na Louisiana e em Washington, nos EUA. A oscilação surgiu com uma frequência de 35 ciclos por segundo (Hz), e acelerou até 250 Hz, antes de desaparecer, 0,25 segundos mais tarde. Com o aumento da frequência, dois sinais surgem juntos e em forma espiral, cujo pico foi deformado de 1,0×10^-21.
O atraso de 0,007 segundos entre os sinais registados pelos detetores da LIGO foi essencial para analisar a velocidade da onda em ambos os detetores.

© LIGO (detecção das ondas gravitacionais)

Esta colisão cósmica enviou ondas gravitacionais que fluíram na velocidade da luz, causando ondulações no tecido do espaço-tempo, semelhante à forma como uma pedra perturba a água de uma lagoa quando é arremessada em seu centro. Os pesquisadores disseram que a colisão ocorreu a 1,3 bilhões de anos atrás, entre buracos negros com 29 e 36 vezes mais massa do que o Sol, respectivamente. Durante o ocorrido, cerca de três vezes a massa do Sol foi convertida em ondas gravitacionais em menos de um segundo, gerando uma potência de pico de aproximadamente 50 vezes a de todo o Universo visível.

"Nossa observação de ondas gravitacionais cumpre uma meta ambiciosa de cinco décadas, que era a de detectar esse fenômeno diretamente, e assim, compreender melhor o Universo, e claro, o legado de Einstein no 100º aniversário de sua Teoria da Relatividade Geral", disse David Reitze, do Instituto de Tecnologia da Califórnia e diretor executivo do LIGO, nos EUA.
A detecção das ondas gravitacionais é um marco na astronomia e astrofísica. Ao contrário de ondas de luz, as ondas gravitacionais não ficam distorcidas ou alteradas por interações com a matéria, enquanto se propagam pelo espaço, carregando a informação sobre os objetos e eventos que propiciram sua criação.

As ondas gravitacionais foram inicialmente previstas por Albert Einstein em sua famosa Teoria da Relatividade Geral de 1915. Um aspecto relevante desta teoria diz que o espaço e o tempo não são duas coisas separadas, mas sim estão ligados entre si em um único tecido: o espaço-tempo. Objetos massivos, como estrelas, esticam e curvam este tecido, assim como uma bola de boliche distorce uma lona. Isso faz com que objetos (como planetas) e até mesmo a luz percorram caminhos curvos em torno desses corpos mais massivos.

As ondas gravitacionais afetam este tecido, causando distorções no espaço-tempo. Estudos anteriores confirmaram a existência de ondas gravitacionais, que são geradas pela aceleração (ou desaceleração) de objetos massivos, mas através de métodos indiretos. A descoberta do LIGO é a primeira detecção direta desse fenômeno enigmático.

O observatório LIGO pode detectar ondas gravitacionais relativamente fortes, que são criadas por acontecimentos dramáticos, como dois buracos negros que se encontram numa colisão, ou fusões de estrelas de nêutrons. O detector também pode encontrar ondas gravitacionais geradas por uma explosão de estrela, conhecida como supernova, segundo os pesquisadores.
Distinguir essas ondulações no espaço-tempo é um grande desafio. Como uma onda gravitacional passa através da Terra, e espreme o espaço em uma direção e estende-o em outra, o LIGO observa essa curvatura do espaço-tempo usando dois detectores em forma de L.

Cada braço de cada detector tem 4 km de comprimento. Perto do ponto em que os dois braços se encontram, um impulso de luz de laser é lançado para baixo de cada braço simultaneamente. Os pulsos viajam por essas extremidades e saltam para fora, num espelho na extremidade, e depois voltam perto do ponto de partida.

Se uma onda gravitacional passa, ela vai comprimir um braço do detector e esticar o outro. Como resultado, o feixe de luz que viaja para baixo do braço esticado vai demorar um pouco mais para voltar ao ponto de partida do que o feixe de luz que viaja no braço que foi comprimido. Se o mesmo sinal é visto por ambos os detectores, os pesquisadores podem ter certeza de que o sinal é real, e não o resultado de condições ambientais em um dos locais. Gravar o sinal em dois locais diferentes também permite aos cientistas encontrar a fonte da onda gravitacional no céu por triangulação.
A mudança no comprimento de cada braço é muito menor do que a largura de um núcleo atômico. Se o detector LIGO se estendesse desde o Sol até a estrela mais próxima, a Proxima Centauri, localizada a 40,14 trilhões de km de distância, uma onda gravitacional iria encolher o detector na largura de apenas um fio de cabelo humano.

Esta não é a primeira vez que as ondas gravitacionais ganham as manchetes do mundo. Em 2014, pesquisadores usaram o telescópio BICEP2 na Antártida, e anunciaram a detecção de assinaturas de ondas gravitacionais à luz microondas que restou do Big Bang, a radiação cósmica de fundo. Mas esse resultado se desfez quando as observações do observatório espacial Planck mostrou que as alegadas assinaturas foram, provavelmente, apenas poeira espacial.

Enquanto isso, outras deduções podem ocorrer em curto prazo. Os pesquisadores do LIGO ainda estão analisando os dados recentes e planejam começar a coletar sinais novamente em julho. O reconstruído detector italiano VIRGO, um interferômetro com braços de 3 km, também irá coletar novos dados ainda este ano.

Os físicos esperam ansiosamente a próxima onda!

Fonte: Space & Physical Review Letters

A evolução da fusão nuclear

Cientistas do Hefei Institutes of Physical Science da Chinese Academy of Sciences (CASHIPS), na China, conseguiram alcançar temperaturas três vezes maiores que a do nosso Sol ao realizar uma fusão nuclear.

© CASHIPS (interior do Tokamak chinês)

O experimento durou 102 segundos e tornando a fusão nuclear artificial mais longa que já existiu no planeta. O feito representou um grande avanço na corrida para tornar realidade um dos maiores desafios científicos do século XXI: conseguir criar uma fonte de energia viável a partir da fusão nuclear, imitando o processo que acontece no Sol.

Utilizando o reator de fusão termonuclear Tokamak Superconductor Experimental Advanced (EAST), os pesquisadores elevaram a temperatura do hidrogênio para aproximadamente 50 milhões de graus Celsius (a temperatura do núcleo do Sol é cerca de 15 milhões de graus Celsius), transformando o gás hidrogênio em plasma.

O maior obstáculo da fusão para ser viável como fonte de energia é o confinamento do plasma durante tempo suficientemente longo. Esta foi a grande façanha dos chineses, que chegaram mais longe do que ninguém nesse aspecto.

"O processo foi conseguido através do aquecimento com plasma confinado por uma supercondução magnética," disse Li Ge, pesquisador do Hefei Institutes of Physical Science.

Conseguir uma fusão nuclear estável e controlada é uma das grandes ambições da comunidade científica internacional, uma vez que tem potencial como fonte de energia limpa e é um recurso quase inesgotável.

A novidade do experimento chinês, não está nessa alta temperatura alcançada, mas no tempo que conseguiram mantê-la; em dezembro de 2015, uma equipe do Instituto Max Planck, na Alemanha, conseguiu atingir 80 milhões de graus Celsius em um teste similar. No entanto, enquanto os cientistas alemães, e antes deles outros europeus, japoneses e americanos, consideraram um sucesso chegar a estas temperaturas em uma fração de segundo, os chineses mantiveram o processo durante um minuto e 42 segundos.

Controlar esta operação por tanto tempo demonstra uma evolução técnica que aproxima os pesquisadores da chegada de reatores nucleares de fusão capazes de imitar o processo que acontece no Sol de forma natural, gerando energia.

A fusão é uma reação química que consiste na união de dois átomos para formar um maior, liberando uma enorme quantidade de energia no processo, o mesmo utilizado, por exemplo, na bomba de hidrogênio. A energia obtida neste tipo de processo é mais potente que a realizada nas usinas nucleares, que efetuam fissão de átomos gerando átomos menores.

Para explorar a viabilidade da fusão de hidrogênio para a geração de energia uma aliança formada pelos Estados Unidos, União Europeia, China, Rússia, Japão, Índia e Coreia do Sul desenvolveram o projeto ITER (Reator Internacional Termonuclear Experimental), que está sendo construído no sul da França. O EAST chinês é uma espécie de versão em pequena escala do ITER, e os dados de seu último experimento serão disponibilizados aos parceiros internacionais que participam desse projeto, segundo anunciou a Academia de Ciências da China.

O próximo objetivo dos pesquisadores chineses é chegar aos 100 milhões de graus e preservá-los durante 1.000 segundos, mas o reator termonuclear terá que ser atualizado.

Fonte: Hefei Institutes of Physical Science

Refinada a medida da carga do antihidrogênio

Uma pesquisa internacional com participação brasileira consegue medir com precisão 20 vezes maior que a anterior o limite de uma possível carga elétrica do antihidrogênio, átomo de antimatéria produzida em laboratório.

© Revista Física (ilustração do experimento Alpha)

Resultados aproximam a ciência de comprovar experimentalmente conceitos teóricos. Embora prevista há décadas por diversas teorias físicas, a antimatéria não pode ser encontrada na natureza. Criada em laboratório, é de difícil estudo, pois, as partículas se aniquilam ao encontrar paredes ou matéria comum e, além disso, precisam ser resfriadas para uma análise mais cuidadosa. Esforços recentes, no entanto, vêm obtendo resultados cada vez mais promissores para a física contemporânea. Uma equipe internacional de cientistas, depois de conseguir produzir o antihidrogênio, tem aprofundado cada vez mais seu estudo, e conseguiu colocar um limite com precisão ainda maior na carga do antiátomo.

O conceito de antimatéria é do físico britânico Paul Dirac (1902-1984), e as teorias físicas mais consagradas preveem que, na grande explosão que criou o Universo, o Big Bang, matéria e antimatéria surgiram em quantidades praticamente iguais. Uma é equivalente a outra, com carga trocada; isto é, a cada partícula da matéria (por exemplo, o elétron, de carga negativa) corresponde uma partícula de antimatéria (o antielétron ou pósitron), idêntica mas de carga oposta (positiva), onde uma aniquilaria a outra. Uma questão ainda sem resposta é por que vemos tanta matéria no Universo e ainda não conseguimos observar a antimatéria livre.

Quando os cientistas preveem teoricamente uma coisa que não conseguem observar diretamente no mundo natural, o caminho é quase sempre tentar demonstrar esse fato em laboratório. Foi seguindo essa linha que o primeiro antiátomo em baixas velocidades foi criado pelo grupo de pesquisa Athena em 2002, no acelerador de partículas mais poderoso do mundo, no Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), localizado na Suíça. Formado por um antipróton e um pósitron, o antihidrogênio foi um grande passo, mas o desafio continuou: a partícula gerada tinha enorme energia, e aprisioná-la para um estudo mais aprofundado levou anos.

Finalmente, em 2010, a equipe Alpha, que deu sequência ao grupo Athena, anunciou o aprisionamento do antihidrogênio e a comprovação de que o antiátomo tinha a carga muito pequena, próxima de neutra, como previsto pela teoria. Agora, com novo método, a medição da carga do antiátomo ganhou precisão cerca de 20 vezes maior.

O antiátomo se mostrou neutro com uma carga menor que 0,7 parte por bilhão da carga elementar do elétron. A neutralidade dos átomos e moléculas constituidos de matéria já está comprovada com erro menor do que 10⁻²¹e para uma variada gama de espécies, incluindo H₂, He e SF₆.

“Esta é a medida mais precisa jamais feita da nulidade da carga do antihidrogênio,” celebra o físico Cláudio Lenz Cesar, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, um dos três brasileiros que participam do projeto composto por um grupo de 50 cientistas. Os outros dois brasileiros são: Daniel de Miranda Silveira e Rodrigo Lage Sacramento.

O novo método para verificar a carga do antiátomo consistiu na aplicação dos chamados potenciais elétricos estocásticos, com a metodologia do caminho aleatório. O método consiste em aplicar pulsos aleatórios sobre antiátomos presos em uma armadilha chamada garrafa magnética, a mesma usada pelo grupo para verificar o comportamento do antihidrogênio em relação à gravidade.

A aplicação de pulsos aleatórios mexeria com uma possível carga dos antiátomos, ora aumentando, ora diminuindo sua energia. Então, os átomos passariam por um estágio de maior energia e escapariam da armadilha. “Se, no final, houvesse alguma carga nos antiátomos, a tendência seria que todos escapassem, deixando a garrafa magnética vazia,” conta Lenz.

Não foi o que aconteceu no experimento. Mesmo após repetidos pulsos e o desligamento do campo magnético da armadilha, o antihidrogênio não escapou da garrafa, o que sugere que não teria ganho energia. Sua carga, portanto, aproxima-se de zero, assim como a do hidrogênio.

Os resultados animadores já deixaram a equipe do Alpha na expectativa das próximas descobertas. Segundo Lenz, o próximo passo da pesquisa é lançar um feixe de laser ultrapreciso sobre o antihidrogênio, o que permitiria observá-lo ainda melhor e medir  seus níveis quânticos de energia com uma precisão na ordem de partes por trilhão. “Este é o nosso objetivo desde que começamos a pesquisa, há 20 anos, e está prestes a se concretizar,” anuncia o pesquisador.

Este trabalho foi descrito na revista Nature.

Fonte: Ciência Hoje

Um demônio de Maxwell autônomo

Em 1867, o físico escocês James Clerk Maxwell desafiou a segunda lei da termodinâmica, segundo a qual a entropia em um sistema fechado sempre deve aumentar.

© J. Koski (demônio de Maxwell autônomo)

Na ilustração acima, quando o demônio vê o elétron entrar na ilha (1), ele o aprisiona com uma carga positiva (2). Quando o elétron deixa a ilha (3), o demônio solta uma carga negativa (4).

Em seu experimento mental, Maxwell idealizou um recipiente fechado com gás, dividido em duas partes por uma parede interna, na qual existe uma pequena porta.

Abrindo e fechando a porta, uma criatura hipotética, que passou à história com o nome de "Demônio de Maxwell", poderia ordenar as partículas do gás, passando a lentas e frias para um lado e dirigindo as rápidas e quentes para o outro lado da parede, criando assim, uma diferença de temperatura que violaria as leis da termodinâmica.

No plano teórico, este experimento mental tem sido objeto de análises, interpretações e controvérsias nesses últimos 150 anos, mas testar experimentalmente a ideia vinha sendo impossível até há pouco tempo.

Então, em 2007, uma equipe escocesa finalmente construiu uma nanomáquina equivalente ao Demônio de Maxwell. Mas a controvérsia continuou, porque este experimento ainda dependia de um atuador externo, deixando a entropia total seguir seu caminho previsto e a segunda lei da termodinâmica intacta.

Agora, Jonne Koski da Universidade de Aalto, na Finlândia, através da pesquisa que faz parte de sua tese de doutorado, conseguiu construir um demônio de Maxwell autônomo, capaz de executar o experimento idealizado por Maxwell por conta própria e sem qualquer ajuda externa, permitindo analisar alterações microscópicas envolvendo a termodinâmica.

O sistema é constituído por dois transistores que separam os elétrons em termos de suas energias, efetivamente retirando energia de um dos transistores, que então se resfria, num processo adiabático.

"O sistema que construímos é um transístor de elétron único formado por uma pequena ilha metálica ligada a dois fios por junções túnel feitas de materiais supercondutores. O demônio ligado ao sistema também é um transístor de elétron único que monitora o movimento dos elétrons no sistema. Quando um elétron tunela para a ilha, o demônio o aprisiona com uma carga positiva. Inversamente, quando um elétron deixa a ilha, o demônio o repele com uma carga negativa e o força a se mover morro acima, contrariamente ao seu potencial, o que reduz a temperatura do sistema," explicou o professor Jukka Pekola.

O que torna este demônio autônomo é que ele executa a operação de medição e atuação sem qualquer comando ou energia vindos do exterior. As alterações de temperatura são indicativas da correlação entre o demônio e o sistema, ou, em termos simples, de quanto o demônio "sabe" sobre o sistema.

O sistema é operado em temperaturas extremamente baixas, e é tão bem isolado que é possível registrar mudanças extremamente pequenas de temperatura.

Um demônio eletrônico também permite um número muito grande de repetições da operação de medição e retorno em um tempo muito curto, enquanto que aqueles que, no resto do mundo, usnado moléculas para construir seus demônios teve de lidar com não mais do que algumas centenas de repetições.

O demônio de Maxwell poderá ter aplicações no resfriamento de chips e qubits e também na computação reversível, um conceito que prevê uma computação na qual o processo de cálculo pode ser revertido sem perda de energia.

"Como trabalhamos com circuitos supercondutores, também é possível para nós criar qubits de computadores quânticos. Como próximo passo, gostaríamos de examinar esses mesmos fenômenos em nível quântico," revela o professor Pekola.

Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Physical Review Letters.

Fonte: Aalto University

Buraco negro de plasma de quarks e glúons

Por meio de simulação computacional, pesquisadores do Instituto de Física da Universidade de São Paulo, no Brasil, e do Departamento de Física da Columbia University, nos Estados Unidos, determinaram pela primeira vez, de forma quantitativa, como a carga bariônica se difunde através do plasma de quarks e glúons.

© Brookhaven National Laboratory (colisão de núcleos de ouro)

A imagem acima mostra o evento de uma única colisão de íons de ouro, acelerados até a energia de 200 GeV (giga elétron-volts), medida pelo rastreador de vértice de silício do detector PHENIX, do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

A carga bariônica é definida pela diferença entre o número de quarks e antiquarks em um dado meio. Supõe-se que o plasma de quarks e glúons tenha predominado no Universo durante uma pequeníssima fração de segundo após o Big Bang, muito antes que o processo de expansão e consequente resfriamento do cosmo reconfigurasse várias vezes seu conteúdo material e energético, até chegar ao estágio atual. Fazendo o caminho inverso, é possível produzir o plasma de quarks e glúons a partir da matéria ordinária, aquecendo-a a temperaturas milhares de vezes superiores à mais alta temperatura registrada no Sol.

Porém, no ambiente terrestre, o patamar de energia necessário para isso só é alcançado, e por um ínfimo lapso de tempo, nas colisões relativísticas [próximas da velocidade da luz] de núcleos pesados, produzidas nos dois maiores colisores de partículas da atualidade, o Large Hadron Collider (LHC), na Europa, e o Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), nos Estados Unidos.

“Simulando em computador as propriedades de 250 mil buracos negros pentadimensionais, calculamos como a carga bariônica se difunde através desse plasma quando o sistema passa a conter mais matéria do que antimatéria”, disse Noronha. “Para isso, utilizamos um modelo teórico baseado na chamada ‘dualidade holográfica’, que estabelece uma surpreendente equivalência entre certas teorias quânticas definidas no espaço-tempo usual, de quatro dimensões estendidas, e a física de supercordas em um espaço-tempo curvo, de cinco dimensões estendidas.”

A “dualidade holográfica”, descoberta pelo físico argentino Juan Maldacena em 1997, é considerada uma das maiores revoluções da física teórica em anos recentes, porque possibilita que alguns fenômenos quânticos de difícil entendimento no espaço-tempo usual, de quatro dimensões, sejam estudados como hologramas de fenômenos gravitacionais mais simples ocorrendo em um espaço de cinco dimensões.

Esses fenômenos pentadimensionais são descritos pela teoria de supercordas, que é, atualmente, a principal candidata à teoria da gravitação quântica, superando o problema até agora insolúvel de compatibilizar a teoria quântica com a teoria da relatividade geral, os dois pilares da física contemporânea. Os partidários da teoria de supercordas consideram que ela poderá desempenhar um papel fundamental no entendimento de configurações em que a matéria-energia se encontra comprimida em densidades extremas, como no universo primordial ou no interior de buracos negros.

“A teoria de supercordas preconiza que as partículas fundamentais que identificamos no Universo correspondam, na verdade, a diferentes modos de vibração de minúsculas cordas existindo em um espaço-tempo de 10 dimensões. Como o Universo a que temos acesso por meio dos instrumentos de observação e dos experimentos se apresenta como um espaço-tempo com quatro dimensões estendidas [as três direções espaciais e o tempo], conjectura-se que as seis dimensões extras previstas pela teoria de supercordas devam estar compactadas em objetos extremamente reduzidos, que não podemos sondar diretamente com a tecnologia atual”, explicou o pesquisador.

Em princípio, haveria um grande número de compactações possíveis para as dimensões extras, a cada uma correspondendo um universo diferente. O Universo conhecido seria apenas um deles.

“O que Maldacena descobriu foi uma importante relação matemática entre certas teorias quânticas definidas no espaço-tempo plano usual, de quatro dimensões estendidas, e supercordas existindo em um contexto formado pela composição de um espaço-tempo curvo de cinco dimensões estendidas [chamado de ‘Anti-de-Sitter’ ou AdS] e uma hiperesfera com cinco dimensões compactadas. A relação matemática descoberta por Maldacena recebe o nome de dualidade holográfica”, informou Noronha.

Uma das principais aplicações da “dualidade holográfica” é utilizar as propriedades físicas de buracos negros definidos em um espaço AdS pentadimensional para calcular, de forma aproximada, as características do plasma de quarks e glúons, produzido experimentalmente nos dois grandes colisores.

“A expressão ‘plasma de quarks e glúons’ precisa ser melhor explicada”, ponderou o pesquisador. “A palavra ‘plasma’ designa um gás de íons, isto é, de partículas eletricamente carregadas. Ao passo que os glúons são eletricamente neutros e os quarks possuem carga elétrica fracionária (o que os distingue de todas as demais partículas, que apresentam carga elétrica inteira ou nula).

Outro aspecto bastante peculiar dos quarks e glúons é que, sob as condições habitualmente observadas na natureza, essas partículas fundamentais se encontram confinadas no interior de partículas compostas, chamadas de hádrons, como os prótons e os nêutrons, que compõem os núcleos atômicos. Quando núcleos atômicos pesados, compostos por vários prótons e nêutrons, são colididos a altíssimas energias, como ocorre no LHC e no RHIC, os quarks e os glúons são temporariamente liberados, formando o meio que, por comodidade, chamamos de plasma de quarks e glúons.”

“Esse ‘plasma’ corresponde, de fato, a gotículas de volumes minúsculos, com raios da ordem de 10^-15 metros, e temperaturas altíssimas, em torno de 250 mil vezes a temperatura do centro do Sol, estimada em 10⁷ Kelvin. De fato, essas gotículas, formadas nos grandes colisores, constituem o fluido mais perfeito, de menor tamanho e mais quente já produzido pelo ser humano. Duram apenas uma diminuta fração de segundo, antes que o resfriamento faça com que os quarks e glúons sejam novamente confinados em hádrons. Esse meio corresponderia à condição do Universo poucos instantes após o Big Bang”, descreveu Noronha.

Neste trabalho os pesquisadores utilizaram a dualidade holográfica e a simulação computacional para investigar, pela primeira vez na literatura, como a carga bariônica se difunde através do plasma de quarks e glúons. E calcularam também a condutividade associada a essa carga, além de outras grandezas observáveis, de grande importância para a caracterização física desse estado da matéria.

Um artigo descrevendo o estudo intitulado “Suppression of Baryon Diffussion and Transport in a Baryon Rich Strongly Coupled Quark-Gluon Plasma”, assinado por Rômulo Rougemont e Jorge Noronha, da USP, e por Jacquelyn Noronha-Hostler, de Columbia, foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: FAPESP (Agência)

Desordem irreversível no mundo dos átomos

Físicos brasileiros e europeus demonstraram, pela primeira vez, que um minúsculo núcleo atômico também sofre um fenômeno comum, bem conhecido dos seres humanos: os efeitos irreversíveis da passagem do tempo.

© Revista Física (entropia da quebra de um copo)

Usando equipamentos de um laboratório no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro, eles registraram um aumento irreversível no grau de desordem no interior de um átomo do elemento químico carbono.

Em física, o grau de desordem é medido por uma grandeza chamada entropia, que quase sempre é crescente nos fenômenos do mundo macroscópico, no máximo ela se mantém estável, mas nunca diminui em um sistema dito isolado. Uma das consequências de a entropia sempre aumentar é que, quanto maior a desordem, mais difícil se torna reverter um fenômeno perfeitamente. “Não é possível desfazer a mistura entre o café e o leite depois de misturá-los, por exemplo”, diz o físico Roberto Serra, pesquisador da Universidade Federal do ABC (UFABC) e integrante da equipe que fez os experimentos no CBPF.

Isso acontece porque o café e o leite, e tudo o mais no mundo macroscópico, são feitos de quantidades absurdamente elevadas de átomos se movimentando das maneiras as mais variadas possíveis, a maioria delas aleatórias e incontroláveis. Ante número tão elevado de combinações possíveis, até existe a probabilidade de os átomos de café se separarem dos de leite, mas ela é próxima a zero. É também por isso que não se veem os pedaços de uma taça de vinho que se parte voltarem a se unir espontaneamente.

No dia a dia, os seres humanos associam a irreversibilidade desses fenômenos à passagem do tempo e às noções de passado e futuro. Em condições normais, café e leite só existem separados antes de se misturarem e um prato perfeitamente íntegro só existe antes de se quebrar. A noção de irreversibilidade levou o astrônomo e matemático inglês Arthur Eddington a afirmar em 1928, no livro A natureza do mundo físico, que a única seta do tempo conhecida pela física era o aumento da entropia no Universo, determinado pela segunda lei da termodinâmica, a única lei irreversível da física. O conceito de seta do tempo expressa a ideia de que a passagem do tempo ocorre num sentido preferencial: do passado para o futuro.

“Embora a percepção de que o tempo não para e caminha sempre para o futuro seja óbvia em nossa experiência cotidiana, isso não é trivial do ponto de vista da física”, diz Serra. Essa dificuldade ocorre porque as leis que regem a natureza no nível microscópico são simétricas no tempo, ou seja, reversíveis. Isso significa que não haveria diferença entre ir do passado para o futuro e vice-versa.

Muitos físicos pensavam que o aumento da entropia pudesse ser um fenômeno exclusivo do mundo macroscópico porque no século XIX o físico austríaco  Ludwig Boltzmann explicou a segunda lei da termodinâmica pelos movimentos de um número elevado de átomos. Há 60 anos, porém, muitos pesquisadores trabalham para ampliar a teoria de Boltzmann para sistemas feitos de poucos ou mesmo um só átomo. E teorias atuais já estabelecem que uma única partícula deve obedecer à segunda lei da termodinâmica.

A equipe de Serra foi a primeira a medir variações de entropia em um sistema tão pequeno que só podia ser descrito pelas leis da mecânica quântica, que regem o mundo submicroscópico. O físico Tiago Batalhão, aluno de doutorado de Serra na UFABC e atualmente em um estágio de pesquisa na Áustria, realiza desde 2014 experimentos em parceria com Alexandre Souza, Roberto Sarthour e Ivan Oliveira, do CBPF, além de Mauro Paternostro, da Queen’s University, na Irlanda, e Eric Lutz, da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha.

Os experimentos usam campos eletromagnéticos para manipular os núcleos de átomos de carbono de uma solução de clorofórmio. Os núcleos possuem uma propriedade chamada spin, que funciona como a agulha de uma bússola e aponta para cima ou para baixo, cada sentido com uma energia diferente. Os testes começavam com os spins dos trilhões de núcleos apontando em alguma direção, a maioria para cima e uma fração para baixo, dependendo da temperatura. Em seguida, disparava-se um pulso de ondas de rádio no tubo com clorofórmio. Com duração de um microssegundo, o pulso era curto demais para que cada núcleo interagisse com os vizinhos ou o ambiente. Assim, o pulso afetava cada núcleo isoladamente. “É como se cada um deles estivesse isolado do resto do Universo”, explica Serra.

Formado por ondas cuja amplitude aumentava no tempo, o primeiro pulso perturbava os spins de cada núcleo, que flutuavam rapidamente e mudavam de direção. Após algum tempo, os pesquisadores disparavam um segundo pulso, idêntico ao primeiro em quase tudo, exceto pelo fato de a amplitude de suas ondas decrescer com o tempo. Com o segundo pulso, que representava uma versão do primeiro pulso invertida no tempo, esperava-se fazer o spin de cada núcleo retornar ao estado inicial. De fato, os spins retornaram a um estado bem próximo ao do início. Mas, medidas precisas mostraram que os estados final e inicial não eram iguais. Havia uma discrepância decorrente das transições entre os diferentes estados de energia dos spins, associadas à entropia produzida no processo de aumentar e diminuir a amplitude das ondas.

Vlatko Vedral, físico da Universidade de Oxford, Reino Unido, que faz experimentos semelhantes usando laser, considera o trabalho uma bela demonstração do que a termodinâmica quântica prevê. Ele diz que gostaria de saber se a entropia medida na escala subatômica é produzida por fenômenos descritos pelas leis da física ou se uma parte decorre de algum fenômeno desconhecido atuando sobre  a seta do tempo.

Um artigo foi publicado no periódico Physical Review Letters.

Fonte: FAPESP (Pesquisa)

Achado novo bóson mais pesado que o Higgs?

Os dois experimentos que descobriram o Bóson de Higgs em 2012 sentiram uma intrigante possibilidade de uma nova partícula elementar.

© CERN/CMS (pares de fótons produzidos pelo novo bóson)

Os pares de fótons (verde) produzidos em colisões no Large Hadron Collider (LHC) sugerem a existência de um Higgs com uma massa de 750 GeV (giga elétron-volts).

Ambas as colaborações anunciaram suas observações em 15 de Dezembro, quando publicaram os primeiros resultados significantes.

Os detectores CMS e ATLAs do LHC nos arredores de Geneva, Suíça, observaram em restos de colisões de próton-próton um excesso inesperado de pares de fótons carregando em torno de 750 GeV de energia combinados. Isso poderia ser o sinal da história de uma nova partícula, também um bóson, mas não necessariamente similar ao de Higgs, decaindo em dois fótons de energia equivalente. Seria em torno de quatro vezes mais massivo do que a próxima partícula mais pesada descoberta até então, o quark top, e seis vezes mais massiva que o Higgs.

Em cada caso, a significância estatística era bem pequena. Marumi Kado, do Linear Accelerator Laboratory na Universidade de Paris-Sud, disse que o seu experimento, ATLAS, viu em torno de 40 pares de fótons acima do número esperado do modelo padrão de partículas da física; Jim Olsen da Universidade de Princeton, Nova Jersey, reportou que o CMS viu apenas dez. Nenhum deles teria sequer mencionado o excesso caso os outros experimentos não tivessem visto pistas quase que idênticas.

“É um pouco intrigante. Mas pode ocorrer por coincidência,” diz o representante do ATLAS Dave Charlton, da Universidade de Birmingham, Reino Unido.

Em física de partículas, tropeços estatísticos como esse vem e vão todo o tempo. Se isso acabar sendo uma partícula real, seria “uma mudança completa no jogo”, diz Gian Francesco Fiudice, um teórico do CERN, que não é membro nem do ATLAS nem do CMS. Físicos experimentais passaram décadas validando o modelo padrão, e o Higgs era a última peça faltante no quebra-cabeça. Uma partícula mais pesada abriria um capítulo inteiramente novo no campo. Tiziano Camporesi, um físico no CERN que representa o CMS, diz que não sabe o que concluir com os dados até então. A diferença apareceu conforme a equipe do CMS procurava por uma partícula não relacionada chamada de gráviton.

Maxim Perelstein, um físico teórico do campo de partículas na Universidade de Cornell em Ithaca, Nova Iorque, diz que apesar de que um bóson de 750 GeV não é o que os físicos do LHC tem procurado, teóricos não necessariamente o consideraria como exótico. Por exemplo, poderia ser uma partícula similar a Higgs, apenas mais pesada. “Eu não iria achar isso uma grande surpresa caso venha a ser verdade,” diz Perelstein.

Enquanto isto, buscas por partículas previstas pela supersimetria, extensão favorita dos físicos para o modelo padrão, continuam sem encontrar nada. Para o físico teórico Michael Peskin, do Acelerador Nacional SLAC em Menlo Park, California, a parte mais relevante da discussão trata da falha em encontrar a partícula supersimétrica gluino no alcance de massas possíveis até 1.600 GeV. Isto força a supersimetria perto de um ponto onde muitos físicos talvez desistam dela, diz Peskin.

Em relação aos dois fótons, Camporesi diz que em 2016 o LHC deve estabelecer conclusivamente se os dados foram apenas outro tropeço estatístico ou uma nova partícula. Vai ser a maior prioridade para a próxima rodada de coleta de dados, marcada para começar em março, diz ele. “Se existe um fenômeno natural por trás das flutuações, nós saberemos,” conclui Camporesi.

Charlton concorda: “Nós esperamos dez vezes mais dados no próximo ano, o que deve ajudar a resolver essa questão, mas provavelmente irá criar outras novas!”

Fonte: Nature

Luz ultravioleta produz raios X

Foi descoberta uma maneira de usar a luz ultravioleta para produzir raios X.

© H. Kapteyn/M. Murnane/JILA (laser infravermelho e ultravioleta)

A imagem acima mostra lasers infravermelhos gerando pulsos longos (em cima) e lasers ultravioletas (embaixo) gerando pulsos de raios X muito curtos.

Esta técnica proporciona a melhoria no desempenho dos equipamentos de imageamento médico, além de permitir avanços nos estudos fundamentais de materiais.

Atualmente, os pulsos de laser mais curtos que se consegue gerar são produzidos por um processo denominado geração de harmônicos (HHG: high harmonic generation), que usa um pulso gerador longo para arrancar elétrons de átomos gasosos; quando estes elétrons retornam, é produzida luz com comprimentos de onda mais curtos, ou seja, um pulso menor. A chamada correspondência de fase, quando estes pulsos são alinhados com os raios X emitidos, é útil para várias aplicações, como o imageamento por difração.

No entanto, a correspondência de fase funciona melhor com comprimentos de onda mais longos, gerados por lasers na faixa do infravermelho médio, por exemplo, e apenas com níveis específicos de átomos ionizados.

Dimitar Popmintchev e seus colegas superaram essas limitações usando um sistema de geração de harmônicos que usa lasers ultravioleta em comprimentos de onda capazes de estimular feixes luminosos na região mais baixa do espectro de raios X.

O processo de alta geração harmônica em gases foi descoberto usando lasers ultravioleta quase 28 anos atrás. Mas, porque os cientistas daquela época não entendiam plenamente como fazer este processo eficiente, a atenção voltou-se para usar lasers de longo comprimento de onda para HHG. Na verdade, há muitos anos, a maioria dos cientistas acreditava que a produção de harmônicos de raios X moles com lasers ultravioleta seria impossível.

Em um efeito surpreendente, a refração dos raios ultravioleta, tanto nos átomos neutros como nos íons, permitiu obter um acoplamento de fase eficaz, o que por sua vez permite trabalhar em cenários mais complexos, incluindo plasmas com diferentes níveis de ionização, e não mais os níveis bem definidos exigidos pelas técnicas anteriores.

Esta nova técnica pode produzir harmônicos com fótons de até 280 eV (elétron-volts de energia); as técnicas anteriores, usando lasers infravermelhos, só chegavam a essa energia sob pressões muito baixas.

O grupo de cientistas está usando a luz ultravioeta gerado por laser harmônicos para investigar nanomateriais através de imageamento por difração. Em breve, os pesquisadores esperam produzir luz de comprimento de onda mais curto, que lhes permitirão uma resolução espacial mais elevada para analisar materiais biológicos como o DNA, RNA, proteínas e vírus.

Fonte: Science