Luz que faz curva em U

Segundo a Teoria da Relatividade, a gravidade de um corpo celeste maciço curva o espaço ao seu redor. Os cientistas estão tentando fazer o mesmo no chamado "espaço óptico", que não é nenhuma localidade em especial, mas tão somente o espaço no qual a luz viaja. Se o espaço óptico se curva, então a luz que viaja por ele faz o mesmo caminho. Sob outro ponto de vista, o que se está tentando fazer é forçar a luz a fazer curvas.

© Zhang Group (guia de onda plamônico)

Já longe da ficção, esses experimentos estão na base de todos os feitos da invisibilidade, que têm-se multiplicado em laboratórios ao redor do mundo. Mas o potencial da chamada óptica transformacional, que estuda o controle das ondas de luz, vai muito além: poderosos microscópios capazes de mostrar moléculas de DNA com luz visível, ou supercomputadores que usam a luz em vez dos sinais eletrônicos para processar a informação são outras possibilidades.

A ferramenta básica para controlar e manipular as ondas de luz são os metamateriais, materiais artificiais, geralmente mesclando metais e isolantes, ou dielétricos, para formar estruturas que interagem com a luz de forma não-natural.

Apesar dos sucessos alcançados no curto tempo de vida desse novo campo da ciência, os pesquisadores vinham encontrando dificuldades em ajustar as propriedades físicas dos metamateriais em nanoescala, sobretudo por causa dos metais, em escalas menores do que o comprimento de onda da luz que se quer manipular.

Agora, uma equipe de pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e da Universidade da Califórnia, ambos os Estados Unidos, descobriu que esse empecilho pode ser removido com a combinação da óptica transformacional com um outro campo da ciência igualmente novo e promissor, conhecido como plasmônica.

Um plasmon é uma onda eletrônica que viaja pelo mar de elétrons na superfície de um metal. Assim como a energia das ondas de luz é transportada em unidades quantizadas de partículas chamadas fótons, a energia plasmônica é transportada em quase-partículas chamadas plasmons de superfície.

Os plasmons interagem fortemente com os fótons na interface metal/isolante de um metamaterial, formando uma outra quase-partícula, chamada polariton de plasmon de superfície.

A manipulação desses polaritons está no coração das surpreendentes propriedades ópticas dos metamateriais.

© Zhang Group (espalhamneto de polaritons)

O esquema da esquerda mostra o espalhamento dos polaritons de plasmons de superfície sobre uma interface metal-dielétrica com uma única saliência. O esquema da direita mostra como o espalhamento dos polaritons é suprimido quando o espaço óptico ao redor da saliência é modificado.

Liderados pelo Dr. Xiang Zhang, os pesquisadores modelaram uma "óptica transformacional plasmônica", uma forma de manipular o material dielétrico, ou isolante, adjacente a um metal, mas sem alterar o próprio metal.

A técnica permite que os polaritons viajem através de superfícies irregulares e curvas em uma ampla faixa de comprimentos de onda, sem sofrer perdas significativas por espalhamento.

Usando a nova abordagem, Zhang e sua equipe desenvolveram um guia de ondas plasmônico com uma curva de 180 graus que força a luz a fazer um retorno perfeito, sem qualquer alteração nas suas propriedades ou na sua energia.

Eles também projetaram uma versão plasmônica da lente de Luneburg, um tipo de lente esférica capaz de receber e refletir ondas ópticas de múltiplas direções ao mesmo tempo.

"Como as propriedades dos metais nos nossos metamateriais permanecem completamente inalteradas, nossa metodologia de óptica transformacional plasmônica fornece uma maneira prática para guiar a luz em escalas muito pequenas", diz Zhang.

O Dr. Xiang Zhang é um dos pioneiros no campo da manipulação da luz e da invisibilidade, embora ele afirme que os metamateriais trarão benefícios mais práticos do que elusivos mantos da invisibilidade. Seus feitos mais recentes incluem um nanolaser de estado sólido e um novo material para exames de ultrassom.

Fonte: Nano Letters

Velocidade do elétron em chips é aumentada

Cientistas coreanos conseguiram aumentar em 20 vezes a velocidade de elétrons em chips de silício, elemento básico na indústria de computação.

© David Scharf/SPL (chip de silício e chumbo)

Chips tradicionais de silício possuem um nível de resistência elétrica que impõe restrições à velocidade dos elétrons. Quanto mais rápido é seu movimento, mais rápida é a transmissão de informação e, consequentemente, o poder de processamento.

Para quebrar esses limites, cientistas estão considerando outros materiais, principalmente o grafeno, composto por uma camada fina de carbono que conduz eletricidade melhor que qualquer outra substância a temperatura ambiente.

O grafeno é capaz de fazer isso devido à interação entre sua estrutura de rede hexagonal e a estrutura eletrônica de seus átomos. Isso faz com que a resistência ao movimento das partículas seja muito pequeno, o que aumenta sua velocidade de locomoção. É como se a massa dos elétrons fosse menor comparado com a massa do elétron em uma camada de silício.

O problema é que é difícil de produzir grafeno em grandes quantidades. Agora Han Woong Yeom e sua equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pohang, na Coreia do Sul, acreditam poder imitar a condutividade do grafeno em silício.

Yeom e sua equipe adicionou uma camada de chumbo com a espessura de apenas um átomo sobre um bloco de silício. Porque a camada de chumbo é tão fina, o arranjo de seus átomos é influenciado pelos átomos de silício localizados abaixo.

A equipe suspeitava que os elétrons do chumbo iriam, por sua vez, influenciar a estrutura eletrônica do silício na interface.

Para testar essa hipótese, eles dispararam feixes de fótons de alta energia para remover elétrons da interface entre os dois materiais e mediram sua velocidade e energia. Ao subtrair a energia dos fótons, eles calcularam que alguns dos elétrons na interface possuíam uma massa aparente 1/20 da massa normalmente medida em chips de silício. Sugerindo que os elétrons estão se movendo 20 vezes mais rapidamente. Embora isso represente apenas um terço da velocidade dos elétrons em grafeno, não significa que a redução de resistência tenha chegado a seu limite. O uso de diferentes materiais para cobrir o silício, por exemplo, poderiam reduzir ainda mais a resistência e aumentar a velocidade da condução elétrica.

Os chips de silício mais rápidos poderiam rapidamente ultrapassar o grafeno na corrida para obter processadores mais eficientes, pois a infraestrutura de manufatura com esse material já está instalada.

Fonte: Physical Review Letters

O raio do próton pode ter tamanho menor

Cientistas de um grupo internacional de pesquisas afirmara que um constituinte fundamental do universo visível, o próton, é menor do que se pensava anteriormente, segundo estudo publicado na revista científica Nature.

© Paul Scherrer Institut (aparelho laser)

Medições revistas reduziram em 4% o raio da partícula que, embora não pareça muito, especialmente dado o tamanho infinitesimal do próton, em experimentos futuros pode representar um desafio a preceitos fundamentais da eletrodinâmica quântica (QED), a teoria de como a luz e a matéria interagem. Isto significa que o próton seria 0.00000000000003 milímetros menor.

O raio do próton apresentado na pesquisa é da ordem de 0,84 femtômetro. Experimentos mais antigos, no entanto, haviam fixado um valor mais próximo de 0,87. A diferença, embora pareça pequena, fica além das margens de erro estatístico e pode representar a primeira rachadura na couraça da QED, teoria que serviu de base para os cálculos realizados tanto na medição atual quanto nas anteriores.

Inicialmente, a equipe internacional de 32 cientistas, chefiada por Randolf Pohl, do Instituto Max Planck em Garching, Alemanha, só queria confirmar o que já se sabia e não derrubar conceitos.

Por décadas, os físicos de partículas usavam o átomo de hidrogênio como um parâmetro para medir o tamanho dos prótons, que são parte do núcleo atômico. A vantagem do hidrogênio é sua simplicidade incomparável: um elétron circunda um único próton.

Mas, se artigo estiver correto, esta unidade de medida esteve equivocada por uma margem pequena, porém crítica. "Nós não imaginávamos que haveria um abismo entre as medidas conhecidas do próton e as nossas próprias", diz o coautor do estudo, Paul Indelicato, diretor do Laboratório Kastler Brossel na Universidade Pierre e Marie Curie, em Paris.

O novo experimento, que é pelo menos 10 vezes mais preciso do que qualquer outro feito até agora, foi previsto por cientistas 40 anos atrás, mas só desenvolvimentos recentes na tecnologia o tornaram possível. O truque foi recolocar o elétron no átomo do hidrogênio com um múon negativo, uma partícula com a mesma carga elétrica, mas ao mesmo tempo 200 vezes mais pesado e instável.

A massa maior do múon dá ao hidrogênio muônico um tamanho atômico menor e permite uma interação muito maior com o próton. Como resultado, a estrutura do próton pode ser sondada com mais precisão do que usando o hidrogênio normal.

Jeff Flowers, cientista do Laboratório Nacional de Física britânico em Teddington, perto de Londres, disse que o trabalho pode levar as teorias da física de partículas a um novo território.

Se a descoberta for confirmada, será preciso mais do que o acelerador de partículas instalado no Laboratório Europeu de Física Nuclear (Cern), na Suíça, para testar o chamado Modelo Padrão, lista das partículas subatômicas que formam o Universo.

Se as medidas previamente aceitas sobre as quais centenas de cálculos foram feitos estiverem errados ou existir um problema com a própria teoria eletrodinâmica quântica, os físicos têm muito trabalho a fazer.

Agora, os teóricos vão refazer seus cálculos e mais experimentos serão feitos para confirmar ou refutar este estudo. Daqui a dois anos será feito um novo experimento no mesmo equipamento com hélio muônico.

Fonte: Nature

Colisor de partículas é usado para fazer sons

Cientistas simularam o som de partículas subatômicas produzidas no Grande Colisor de Hádrons (LHC, na sigla em inglês), na Suíça.

O objetivo é facilitar a identificação do bóson de Higgs, cuja existência ainda não foi confirmada, mas que, segundo teorias, daria massa a todas as outras.

© CERN (simulação da geração do bóson de Higgs)

A cientista Lily Asquith coordenou a equipe que desenvolveu o modelo que transforma dados do gigantesco experimento Atlas, no LHC, em sons. "Se a energia estiver perto de você, você ouve um som grave, e se estiver mais longe, mais agudo", disse Asquith.

O processo de transformar dados científicos em sons é chamado sonificação. Acesse: LHCsound para ouvir uma sonificação produzida no LHC através do experimento Atlas.

O experimento acontece em um túnel circular de 27 quilômetros de comprimento, repleto de imãs que conduzem as partículas de prótons pelo imenso anel. Em certos pontos do trajeto, os feixes de prótons mudam de trajetória e se chocam em quatro experimentos, que são minuciosamente monitorados pelos cientistas.

É nessas colisões que podem ser encontradas novas partículas subatômicas, como o bóson de Higgs, que ajudariam a entender a origem do Universo. A imagem a seguir mostra as partículas constituintes do modelo padrão.

© AAAS (partículas do modelo padrão)

Atlas é um dos quatro experimentos do colisor. Um instrumento batizado de calorímetro é usado para medir energia e é composto de sete camadas concêntricas.

Cada uma dessas camadas é representada por um tom diferente, dependendo da quantidade de energia contida nele.

Até o momento, a equipe de Asquith criou diversas simulações baseadas em previsões do que aconteceria durante as colisões no LHC. Só agora, começaram a utilizar dados de experimentos reais.

"Quando você ouve as sonificações, na realidade, o que você está ouvindo são dados. Elas são fieis aos dados e dão informações sobre os dados que não seriam possíveis de se obter de qualquer outra maneira", disse Archer Endrich, um desenvolvedor de software que trabalha no projeto.

Pela sonificação, os cientistas esperam poder identificar diferenças sutis para detectar novas partículas.

Um compositor envolvido com o projeto, Richard Dobson, destacou ter ficado impressionado com a musicalidade das colisões.

"É possível ouvir estruturas claras nos sons, quase como se tivessem sido compostas. Cada uma parece contar uma pequena história. São tão dinâmicas e mudam o tempo todo, que se parecem muito com as composições contemporâneas", disse o músico.

Fonte: CERN (Centro Europeu de Pesquisa Nuclear)

"Laser escuro" permite que dados digitais viajem mais longe

Fibras ópticas podem transportar dados digitais a distâncias muito maiores sem distorção se esses dados forem codificados em pulsos de escuridão em lugar de pulsos de luz. Agora Steven Cundiff e sua equipe na Universidade do Colorado, em Boulder, desenvolveram um equipamento chamado de "laser escuro".

© Optics Express (evolução do pulso de laser escuro)

Um laser tradicional pode enviar milhões de pulsos rápidos a cada segundo separados por intervalos escuros mais prolongados. O laser escuro inverte essa ordem: gera longos pulsos de luz separados por intervalos mais curtos de escuridão.

O equipamento possui um material que emite luz quando uma corrente elétrica o atravessa. A luz é rebatida diversas vezes dentro de uma câmara com espelhos.

Até aí o laser escuro é como um laser tradicional. A diferença no laser escuro é que um dos espelhos possui uma cobertura de material que absorve a luz.

Nesse arranjo, com luz na frequência certa, a câmara emite pulsos curtos caracterizados por uma ausência em vez de presença de luz. Os pulsos, produzidos a uma taxa de até 400 milhões por segundo, são 70% menos intensos que a luz de fundo.

Este não é o primeiro laser capaz de transmitir pulsos escuros. Han Zhang e sua equipe da Universidade Tecnológica de Nanyang, em Cingapura, construíram seu laser ano passado. Mas Zhang nota que o laser de Cundiff produz pulsos a uma taxa muito maior.

Jeremy Baumberg, da Universidade de Cambridge, ressalta que é possível há algum tempo gerar pulsos escuros usando equipamentos anexados a um laser padrão. O que torna o trabalho de Cundiff interessante, diz Baumberg, é que os pulsos de laser escuro são gerados espontaneamente.

Baumberg, no entanto, não sabe como o novo laser poderia ser usado. Como no caso do laser original, trata-se de uma solução procurando por um problema, diz.

O novo laser pode ser útil em comunicações ópticas a longas distâncias. Há limites na distância em que pulsos de luz podem viajar dentro de uma fibra óptica sem que ocorra distorção, pois diferentes comprimentos de onda movem-se a velocidades diferentes. Isso não seria um problema, para um pulso definido pela ausência de luz.

Fonte: Optics Express

Os neutrinos possuem massa!

Cientistas europeus obtiveram pela primeira vez evidência direta de que neutrinos, partículas subatômicas com carga elétrica neutra e massa até agora considerada nula, podem mudar de tipo. Os neutrinos interagem somente muito raramente com a matéria.

© New Scientist (vida de um múon)

O enorme fluxo de neutrinos solares que atravessa a Terra é suficiente para produzir apenas 1 interação por 10³⁶ átomos alvo e cada interação produz somente alguns fótons ou um elemento transmutado. Existem três tipos de neutrinos: neutrinos do elétron, do tau e do múon. Acreditava-se que os neutrinos pudessem mudar de um tipo para outro, mas até agora não foi possível observar esse fenômeno.

Agora físicos do experimento Opera, localizado sob a montanha Gran Sasso, na Itália, dizem que ter detectado neutrinos do tau em um feixe de bilhões de neutrinos do múon emitidos em um centro do Cern (Centro Europeu de Pesquisas Nucleares) a 730 quilômetros de distância.

O Laboratori Nazionali del Gran Sasso é um laboratório de física de partículas subterrâneo localizado entre as cidades de L'Aquila e Teramo, próximo à montanha Gran Sasso, quase abaixo do túnel Gran Sasso na Itália. O laboratório fica a cerca de 120 quilômetros de Roma, entre o Gran Sasso e o parque nacional de Monti della Laga. Ele é o maior laboratório de física de partículas subterrâneo do mundo, com cerca de 10,4 quilômetros de comprimento, e começou a operar nos anos da década de 1980 e sua expansão não é possível. 
O Gran Sasso possui três grandes áreas experimentais. Além de prédios de pesquisa na superfície esse laboratório de física de partículas tem extensas construções subterrâneas bem abaixo da montanha. Sua profundidade máxima é de 1400 metros.
Desde o final de agosto de 2006 o laboratório europeu de física de partículas CERN está dirigindo um feixe de neutrinos muônicos para o laboratório Gran Sasso, onde eles serão registrados por dois detectores, o OPERA e o ICARUS, em um estudo sobre oscilaçào de neutrinos.

O resultado confirma limitações no Modelo Padrão, teoria que descreve as interações entre partículas elementares. A teoria prevê que neutrinos não têm massa, mas neutrinos só podem oscilar entre um tipo e outro se tiverem massa.

Dados anteriores em favor da hipótese de oscilação eram indiretos. Em 1998, um grupo de físicos descobriu que alguns neutrinos dos tipos múon e elétron produzidos na atmosfera e no Sol desapareceram quando se dirigiam ao detector Super-Kamiokande, localizado no Japão.

 

© Universidade de Tóquio (Super-Kamiokande)

Os dados do Opera, contudo, ainda permitem interpretações alternativas. Explicações envolvendo decaimento de neutrinos, por exemplo, não podem ser descartadas.

Fonte: New Scientist

Criado um transistor com apenas sete átomos

Pesquisadores da Universidade de Nova Gales do Sul (Austrália) e da Universidade de Wisconsin-Madison (Estados Unidos da América) anunciaram o desenvolvimento de um transistor com apenas sete átomos. Os transistores são pequenos interruptores usados para a construção de chips.

© Universidade de Nova Gales do Sul (microchips)

A criação de transistores tão pequenos é o primeiro passo para o desenvolvimento de computadores menores e mais poderosos.

Os autores da façanha substituíram sete átomos em um cristal do elemento químico silício por sete átomos de fósforo.

Um chip poderia conter bilhões desses novos transistores, gerando um salto exponencial no poder de processamento dos computadores atuais.

Mas o uso em escala industrial do transistor atômico ainda está longe, pois ele foi criado manualmente. Com o auxílio de um microscópio eletrônico de tunelamento, os pesquisadores inseriram um por um os átomos de fósforo. Esta tecnologia pode ser o primeiro estágio para a criação de um computador quântico.

Fonte: Nature Nanotechnology

Poeira faiscante

Há cinco anos, o físico alemão Hans Herrmann intercala seu expediente corriqueiro de trabalho na famosa Escola Politécnica de Zurique (ETH) com viagens constantes ao Nordeste brasileiro, onde é professor visitante da Universidade Federal do Cea­rá (UFC). Numa dessas visitas, o pesquisador observou o belo espetáculo noturno produzido por clarões e raios durante tempestades de areia nas dunas de Jericoacoara, no norte do Ceará.

 

© Flickr (dunas de Jericoacoara)

Intrigado pela inesperada presença da atividade elétrica num ambiente extremamente seco e aparentemente péssimo condutor de corrente, voltou para casa e se pôs a pensar num fenômeno que, um século e meio atrás, já intrigava o grande cientista inglês Michael Faraday: por que o choque contínuo de grãos de areia ou de cinzas vulcânicas, materiais comumente vistos como neutros, pode gerar espontaneamente grandes descargas? Com a ajuda de dois colegas da ETH, Herrmann acaba de formular uma resposta para o enigma e a publicou um artigo no site da revista científica britânica Nature Physics.

© NASA (raios em erupção do vulcão Sakurijama)

A explicação dá conta de uma velha contradição, ainda que pouco conhecida entre os leigos no assunto. Quando colidem, duas partículas com cargas elétricas tendem a se neutralizar. O polo negativo de uma atrai e anula o positivo da outra. Até aí tudo normal. Mas, em circunstâncias especiais, como nas tempestades  de areia em desertos e nas erupções de vulcões, o choque de duas partículas com certas características, compostas de um mesmo material e eletricamente neutras produz, paradoxalmente, o efeito contrário. Em vez de se neutralizarem, elas, ao trombarem em pleno ar sob efeito de um campo elétrico externo, levam a um crescendo das cargas elétricas presentes nesse sistema que, até então, parecia em equilíbrio. A cada colisão, uma partícula acumula mais carga positiva e perde toda a negativa enquanto o oposto ocorre com a outra partícula, que aumenta progressivamente sua carga negativa e zera a positiva. Portanto, em condições bastante específicas, sucessivos choques entre grãos podem provocar uma escalada de energia no sistema, transformando partículas que antes se comportavam como isolantes elétricos em um meio condutor de grandes descargas. Daí para a ocorrência de uma descarga é um passo. Os choques no ar aumentam a polarização nos grãos. As cargas negativas se armazenam no topo das partículas e as positivas em sua base.

De acordo com simulações feitas em computador e experimentos reais com partículas granulares realizados em laboratório, os físicos da ETH montaram um cenário esquemático, simplificado, para explicar o processo de surgimento das descargas elétricas em nuvens de poeira. Imagine uma nuvem hipotética com apenas dois grãos de areia. Quando um campo elétrico de fundo é aplicado no sistema, ocorre a polarização de cargas nas partículas. Em cada grão de areia a carga positiva se concentra no hemisfério sul e a mesma quantidade de carga negativa migra para o hemisfério no norte. É preciso notar que, nesse momento, antes de qualquer colisão, as duas partículas, apesar de divididas em duas metades com sinal elétrico oposto, ainda se encontram eletricamente neutras. Cada grão carrega uma unidade de carga positiva em sua base e uma de carga negativa no topo. Quando ocorre o choque das partículas, o hemisfério sul de um grão (de carga positiva) esbarra no hemisfério norte (negativo) do outro. O toque faz essas metades se anularem eletricamente: suas cargas descem a zero. No entanto sobra carga nas extremidades dos grãos que não colidiram. Uma partícula permanece com uma unidade de carga positiva em sua base (e zero negativa no topo) enquanto a outra se apresenta com uma carga negativa no topo (e zero positiva na base).

Em outras palavras, o choque torna um grão eletricamente positivo e o outro, negativo. Esse processo repetido inúmeras vezes numa nuvem de poeira, com milhares de partículas, resulta em um desequilíbrio energético que pode culminar num raio ou faísca. “Nosso modelo explica a formação de descargas elétricas em nuvens compostas por partículas idênticas”, afirma Herrmann. “Se as partículas forem diferentes, o princípio também vale, só que os cálculos são mais complicados.” Há ainda também a questão (não respondida) de como surge um campo elétrico de fundo numa tempestade de areia. As colisões só vão energizar os grãos de areia se houver previamente um campo atuando no sistema.

© Snaevarr Gudmundsson (geleira vulcânica Eyjafjallajoekull)

Por ironia da natureza, poucos dias depois da publicação do artigo na Nature Physics, o mundo assistiu à ocorrência de descargas elétricas causadas por colisões de partículas granulares. Em meados de abril a geleira vulcânica Eyjafjallajoekull, na Islândia, entrou em erupção. Além de parar o tráfego aéreo de boa parte da Europa por seis dias, o enorme rastro de cinzas expelidas pela boca fumegante da montanha desencadeou potentes raios. As cinzas de um vulcão também podem se carregar eletricamente, mas isso só acontece no momento da erupção, quando são muito agitadas e a densidade de partículas é alta. Os grãos de areia e as cinzas vulcânicas não são as únicas partículas que podem se tornar eletricamente carregadas em razão de colisões repetidas.

© Marco Fulle (erupção no vulcão Eyjafjallajoekull)

O fenômeno pode se repetir, e até causar explosões, em silos com grãos, em empresas farmacêuticas que processam componentes de remédios e na indústria do carvão. Em desertos, o deslocamento de areia causado pelos rotores de um helicóptero voando baixo pode ocasionar perigosas faíscas. Poeira eletricamente carregada também é apontada como a responsável pela perda de eficiência de baterias solares usadas em Marte e na Lua e, ao se ligar à roupa dos astronautas, por danos aos trajes espaciais.

Fonte: FAPESP e Nature Physics

Rumo ao transistor óptico quântico

Um único átomo pode ser usado como um transistor óptico quântico para controlar a transmissão de luz no interior de uma cavidade. O feito foi obtido no Instituto Max-Planck de Óptica Quântica, de Garching (Alemanha) por uma equipe de pesquisadores da qual faz parte o físico brasileiro Celso Jorge Villas-Boas, da Universidade Federal de São Carlos (UFScar), no interior de São Paulo.

 © Instituto Max-Planck de Óptica Quântica

Relatado em detalhes num artigo científico publicado eletronicamente no site da revista Nature, o experimento representa mais um passo rumo ao controle pleno da geração, propagação e absorção da luz no mundo quântico. "Chegamos ao limite do sistema, enquanto outros grupos já haviam obtido resultados semelhantes, mas com amostras com centenas de milhares de átomos.", afirma Villas-Boas, que contribuiu com a parte teórica do experimento.

A base do sistema se apoia no fenômeno conhecido como transparência induzida eletromagneticamente. Dentro de uma cavidade, os pesquisadores promovem a interação entre dois campos ópticos, em geral laseres com determinadas características, e um meio material, no caso do experimento feito na Alemanha átomos de rubídio. Quando é ligado um dos feixes de laser, aquele denominado campo de controle, parte da luz do outro feixe (campo de prova), que normalmente seria 100% absorvida e bloqueada pelo meio material, consegue atravessar os átomos de rubídio. No experimento feito no Instituto Max-Planck, os físicos tiveram sucesso em controlar a transmissão de até 20% da luz do campo de prova no sistema com um único átomo aprisionado na cavidade. Sendo que para desenvolver um computador realmente quântico, o ideal será atingir algo próximo a 100% de eficiência.

Sistemas mais complexos, mas semelhantes ao descrito no trabalho da Nature, podem ser o ponto de partida para a construção de verdadeiras redes quânticas, nas quais a informação poderá ser transmitida por meio do controle da interação entre matéria e luz. Também podem auxiliar na obtenção de um maior controle sobre o número de fótons presentes num feixe de laser propagado. No estudo, os pesquisadores trabalharam com campos de luz muito fracos. "Nesse experimento a transmissão de um único fóton do campo de prova foi controlada por, em média, um fóton de um campo de controle, isto é, um fóton controlando a transmissão de um segundo fóton", afirma o físico brasileiro. As pesquisas feitas em São Carlos por Villas-Boas fazem parte do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia (INCT) de Informação Quântica, uma iniciativa conjunta da FAPESP e do CNPq.

Fonte: FAPESP e Instituto Max-Planck

Primeira imagem de movimento atômico

Físicos da Universidade de Ohio, nos Estados Unidos, descobriram uma maneira de manipular a rotação de elétrons em torno de núcleos de átomo de cobalto. Os cientistas ainda conseguiram, com a ajuda de um microscópio especial, gerar a primeira imagem desse tipo de ação.

© Universidade de Ohio

O giro, ou spin, é um dos movimentos básicos dos elétrons e consiste basicamente no caminho que a partícula faz em torno do núcleo do átomo. Esse movimento é divido ainda em dois momentos: para baixo e para cima.

No estudo, os pesquisadores tentavam mudar o giro de elétrons de átomos de cobalto (um elemento metálico com 27 prótons e 32 nêutrons). No experimento eles utilizaram um microscópio especial com uma ponteira minúscula revestida de ferro para "ver" os átomos e gerar a primeira imagem do giro de elétron sendo manipulado.

É impossível registrar uma imagem de uma partícula tão pequena utilizando luz visível ao olho humano. O grupo de físicos utilizou, então, um processo que "sente" o movimento, através da ponta do microscópio que tem a largura de um único átomo.

Para mudar o giro dos elétrons, os pesquisadores colocaram os átomos em uma superfície feita de manganês, que foi preparada para que os giros dos seus elétrons se movimentem em espiral. Quando os físicos colocaram os átomos de cobalto no topo dessa espiral, os elétrons se alinharam com os que estavam abaixo deles.

Nas imagens geradas a partir do microscópio, os físicos descobriram que o átomo muda de forma conforme o momento do movimento: quando o giro está para cima, o átomo aparece como uma única protrusão, mas, quando é para baixo, ele aparece com duas, dois picos de alturas iguais. Os cientistas acreditam que essa diferença nas formas é resultante do movimento dos elétrons em diferentes órbitas, ou padrões ao redor do núcleo, dependendo de seus giros.

O estudo pode levar a um avanço na área de alta tecnologia, com eletrônicos cada vez menores e mais rápidos que manipulam o giro atômico. Os cientistas afirmam que, no futuro, ao invés de utilizarmos dezenas de milhares de átomos para armazenar memórias nos computadores, poderíamos utilizar um único átomo e multiplicar a capacidade do equipamento.

Contudo, os físicos dizem que essa mudança pode levar muito tempo, já que o experimento foi realizado em um espaço fechado a vácuo e temperaturas muito baixas, pois em temperaturas maiores os átomos costumam ficar mais instáveis.

Fonte: Live Science

Físicos brasileiros tiram energia do vácuo

A física quântica deixa muita gente confusa quando afirma que é impossível existir o nada absoluto: o espaço vazio puro. A constatação de que o vácuo possui uma energia própria, porém, já foi provada experimentalmente, e só não percebemos isso no dia-a-dia porque esse "conteúdo" do nada é muito pequeno. Uma dupla de teóricos brasileiros, porém, acaba de descobrir um modo de fazer com que a energia do vácuo aumente sem controle, num fenômeno de alta violência.

 

© energia do vácuo quântico (ilustração)

Essa energia não serviria para iluminar cidades ou mover carros, mas pode ajudar a entender alguns dos pontos mais obscuros da física moderna.

A ideia, descrita em um artigo de Daniel Vanzella e William Lima, do Instituto de Física de São Carlos, conquistou espaço na revista "Physical Review Letters", uma das mais disputadas da área. No trabalho, a dupla descreve como sacou a energia "do nada" usando um ingrediente inusitado: a gravidade, força de atração que os físicos consideram fraca.

Desdenhar o poder da gravitação pode parecer piada, mas os físicos sabem que ela perde de longe para outras forças. O exemplo clássico usado para ilustrar isso é o do ímã que ergue uma moeda: o magnetismo do ímã vence a gravidade de toda a Terra. Por isso é que o trabalho brasileiro chamou tanta atenção ao misturar o vácuo quântico com a gravidade.

"São dois conceitos que, se isolados, normalmente não desempenham papel muito dramático nas experiências do dia-a-dia, mas descobrimos que, em alguns contextos, um pode ajudar o outro a ficar dominante", explicou Vanzella.

O que ele e Lima fizeram foi aplicar as equações da energia do vácuo a um espaço onde a gravidade é fortíssima: uma estrela de nêutrons. É um tipo de astro extremamente compacto. Se uma estrela com duas vezes a massa do Sol fosse prensada até ficar com um centésimo de milésimo do tamanho, meros 25 km de diâmetro, ela seria uma estrela de nêutrons.

O que os físicos fizeram foi mostrar que a gravidade perto de um objeto desses iria interagir com o vácuo de forma tão violenta que campos de energia extremamente fracos seriam amplificados exponencialmente. Uma vez com o resultado nas mãos, porém, os físicos se perguntaram que tipo de energia contida no vácuo poderia sofrer essa explosão.

Desse exercício surgiram muitas perguntas e nenhuma resposta, mas um dos questionamentos levou Vanzella e Lima a um caminho promissor.

Os físicos verificaram que o eletromagnetismo, o tipo de energia cuja forma mais conhecida é a luz, não seria afetado pela gravidade de uma estrela de nêutrons da forma brutal como os físicos previam. Vanzella imaginou se o efeito que ele previu poderia causar essa expansão de energia eletromagnética de outra forma, agindo não no contexto de uma única estrela de nêutrons, mas no contexto cosmológico.

O maior desafio da cosmologia hoje é entender o que é a chamada "energia escura", força que faz o Universo se expandir aceleradamente. Físicos não sabem dizer por que o Big Bang, a explosão que deu origem ao cosmo, não está desacelerando, o que seria de esperar, já que a gravidade das galáxias as atrai umas às outras. Já se postulou até a existência de tipos de campo de força desconhecidos para tentar explicar a energia escura, sem sucesso.

"Se o efeito que nós verificamos realmente se manifesta no caso eletromagnético em contexto cosmológico, porém, seria uma possível explicação para a energia escura. Mas isso também já é muito especulativo da nossa parte, porque ainda estamos no meio das nossas contas", diz Vanzella.

O físico diz, porém, estar confiante em que, de um jeito ou de outro, a teoria chegará a algum tipo de previsão que pode ser colocada sob teste em observações astrofísicas num futuro próximo.

Fonte: Physical Review Letters e Folha de São Paulo

Refletor na Lua testa a teoria de Einstein

Físicos da Universidade da Califórnia, em San Diego, nos Estados Unidos, encontraram um refletor de luz soviético, o Lunokhod 1, na superfície da Lua que pousou em 17 de novembro de 1970 e estava desaparecido desde 14 de setembro de 1971. Segundo o jornal Simmetry, do Laboratório do Acelerador Nacional de Partículas, na Universidade de Stanford, o objeto poderá ajudar a testar a lei geral da relatividade, de Albert Einstein.

 

© NASA (refletor à laser na Lua durante missão da Apollo)

Segundo a revista, o objeto simplesmente reflete qualquer luz de volta para sua fonte, não importando de que direção tenha vindo. Outros refletores podem ser encontrados na Lua, três deles foram deixados pelas missões Apollo (11, 14 e 15) da Nasa, e outros dois russos (Lunokhod 1 e Lunokhod 2). O refletor Lunokhod 2 não funciona bem o suficiente quando iluminado pela luz do Sol, porém o Lunokhod 1 refletem o sinal com mais eficiência. Os cientistas costumam mandar pulsos de laser para esses refletores, sabendo que eles serão refletidos de volta. Os físicos podem, assim, medir a distância até o refletor com grande precisão milimétrica.

São necessários três refletores para descobrir a orientação da Lua. Um quarto acrescenta informações sobre a distorção causada pela gravidade da Lua, e um quinto aumenta a informação. Os cientistas afirmam que, pela sua posição, o Lunokhod 1 é fundamental para entender o núcleo líquido da Lua e para determinar a posição exata do seu centro e assim mapear a órbita. Os cientistas esperam utilizar esses dados para testar o que diz a teoria de Einstein sobre a órbita.

O professor Tom Murphy, da Universidade da Califórnia, afirma que a equipe ocasionalmente se deparou com o refletor desaparecido nos últimos dois anos. Contudo, no mês passado através de uma câmera de alta-resolução da Nasa encontrou o local exato do Lunokhod 1. Em 22 de abril, os cientistas enviaram um pulso de laser para o local do telescópio Apache, no Novo México, e conseguiram determinar a distância do telescópio até o refletor com precisão de 1 cm.

Fonte: Simmetry (Universidade de Stanford)

Novo elemento químico na tabela periódica

Investigadores russos e norte-americanos desenvolveram um novo elemento químico, o 117 (Ununséptio), que permitirá uma série de novas descobertas. A representação da novidade no quadro de Mendeleïev (tabela periódica) vem ocupar o espaço em branco na sétima fila, junto dos elementos ‘pesados’, aqueles com massa atômica elevada. Após as recentes descobertas dos 113, 114, 115, 116 e 118, o 117 permanecia ausente.

© Revista Física (tabela periódica)

A equipe do Instituto de Investigação Nuclear (JINR), de Dubna, na Rússia; e nos EUA, do Laboratório Nacional Lawrence Livermore e do Laboratório Oak Ridge, observou o elemento ao longo de uma experiência através de um acelerador de partículas do Dubna, onde outros também foram descobertos.
Para o 92, o urânio, cujo estado natural tem 92 prótons, os físicos tiveram de fabricar novos elementos pesados através de colisões provocadas. O 117 (que não existe na natureza) foi o último a preencher a lista devido ao fato de a preparação da experiência apresentar certas dificuldades. Foi encontrado ao manipular átomos de cálcio e berquélio.
Para além de preencher a lacuna na tabela de elementos químicos de Mendeleïev, abre novos horizontes aos investigadores da área, como por exemplo, a teoria da ilha de estabilidade, uma região onde elementos pesados (ainda desconhecidos) teriam uma grande estabilidade e os “elementos pesados fabricados” se desintegrariam em menos de um milissegundo.
Muitos cientistas acreditam que elementos ainda mais pesados possam ocupar uma "ilha de estabilidade", na qual átomos superpesados poderiam se manter íntegros por longos períodos. Esta ideia de estabilidade deve-se a um determinado número de neutrons e prótons presentes nestes átomos, e descobrir tais elementos poderia abrir a porta a novas descobertas. A descoberta do 117 é mais um passo a caminho dessa "ilha".
Resta saber também o que existe depois da ilha de estabilidade. Até onde a natureza vai permitir que o homem construa átomos cada vez mais complexos é uma das principais questões da ciência.

Fonte: Science

Detector Atlas no LHC redescobre o bóson W

O detector Atlas saiu na frente na disputa dentro do Grande Colisor de Hádrons (LHC), o simulador de "mini-Big Bangs". Apenas dias depois que o seu programa de Física começou a funcionar, o Atlas relatou sua primeira detecção de partículas bóson W.

© CERN (monitor do experimento Atlas)

Esse é um tipo de partícula já identificado em outros colisores, mas antes que os detectores no LHC possam tentar descobrir novas delas, precisam "redescobrir" as já estabelecidas.

A detecção inicial é um "excelente sinal" para conseguir as partículas realmente desejadas em breve, diz Fabiola Gianotti, que lidera a equipe Atlas. "Isso demonstra que tanto o acelerador LHC como o detector Atlas funcionam extremamente bem", diz ela.

© CERN (detector Atlas) 

As partículas bóson W se degradam quase instantaneamente em léptons e neutrinos.

Em duas ocasiões, desde que a máquina começou a suas colisões a 7 TeV (trilhões de eletronvolts), no mês passado, os léptons, que podem ser pósitrons ou múons, foram detectados no calorímetro do Atlas e nas câmaras de múons.

Já os neutrinos não interagem de fato com o detector, mas sua presença foi inferida a partir do desequilíbrio na medição de momento total de decaimento ou degradação do detector, ou seja, sua "energia faltante".

A detecção é interessante porque prevê-se que novas partículas, como a desejada bóson de Higgs, também se degradem em bósons W, diz o físico do Atlas Andreas Hoecker. "O bóson W é realmente muito central."

David Barney, um membro do detector rival CMS, aponta para um "elemento de saudável competição entre os dois grandes detectores multifuncionais". Ele diz que muitos eventos interessantes serão necessários em ambos para construir um quadro completo.

Fonte: New Scientist

Recriação do Big Bang em colisões inéditas

Cientistas responsáveis pelo maior colisor de partículas do mundo, o LHC, conseguiram obter choques de prótons geradores de uma energia recorde de 7 TeV (tera ou trilhões de eletron volts), a energia máxima almejada pelo laboratório.

 

© CERN (feixe estável de prótons quando atingiu 3,5 TeV)

Seu objetivo é recriar condições similares do Big Bang, a grande explosão que teria dado origem ao Universo. Os impactos de hoje chegaram a três vezes o máximo obtido antes.

No fim de novembro, o equipamento já havia atingido a marca de 1,18 TeV, e posteriormente chegou a 2,36 TeV em 2009, e com isso já se tornando o acelerador de partículas de energia mais alta do mundo.

"Isto é física em ação, o início de uma nova era, com colisões de 7 TeV", disse Paola Catapano, cientista e porta-voz do Centro Europeu de Pesquisa Nuclear (CERN), de Genebra, ao anunciar o experimento.

Os aplausos foram intensos nas salas de controle quando os detectores do Grande Colisor de Hadrons (LHC), instalado na fronteira entre França e Suíça, marcaram o choque de partículas subatômicas a uma velocidade próxima à da luz. O colisor possui um túnel oval de 27 quilômetros de comprimento e custou US$ 9,4 bilhões.

 

© CERN/Efe-Martial Trezzini (LHC, Grande Colisor de Hádrons)

"Estamos abrindo as portas à Nova Física, a um novo período de descobertas na história da humanidade", disse Rolf Dieter Heuer, diretor geral do CERN.

Cada colisão entre as partículas cria uma explosão que permite que milhares de cientistas vinculados ao projeto em todo o mundo rastreiem e analisem o que aconteceu um nanossegundo depois do hipotético Big Bang original, 13,7 bilhões de anos atrás.

O CERN reativou o LHC em novembro, depois de paralisá-lo nove dias depois do lançamento inicial, em setembro de 2008, quando a máquina se superaqueceu devido a problemas no cabo supercondutor que conecta dois ímãs de refrigeração.

 

© CERN/Maximilien Brice (dutos com ímãs restaurados)

Os cientistas esperam que a grande experiência lance luz sobre mistérios importantes do cosmos, como a origem das estrelas e dos planetas e o que exatamente é a matéria escura.

Os físicos estão se concentrando na identificação do bóson de Higgs, a partícula que recebeu o nome do professor escocês Peter Higgs, que três décadas sugeriu que algo como ela torna possível a conversão da matéria criada no Big Bang em massa.

Tentativas anteriores de encontrar a partícula fracassaram. Segundo os físicos, a presença dela no cosmos permitiu que os escombros gasosos após o Big Bang se transformassem em galáxias, com estrelas e planetas como a Terra.

Os cientistas do Cern também esperam encontrar evidência concreta da matéria escura, que acredita-se ser responsável por cerca de 25% do Universo. Apenas 5% do total do Universo representa material visível, que reflete a luz. Os pesquisadores, no decorrer dos estudos no LHC, também esperam encontrar prova real da existência da energia escura, que representa os cerca de 70% restantes do cosmos.

O desafio agora é repetir essas colisões com cada vez mais feixes de partículas e mantar os detectores coletando e armazenando dados, os quais serão analisados por dois anos, até a interrupção do funcionamento do acelerador pelo período de um ano.

Só depois, quando o LHC for revisado, os cientistas tentarão elevar a acelaração dos feixes de partículas a 14 TeV, a potência máxima que o colisor pode alcançar e que é ainda mais próxima da criação do Universo.

Fonte: CERN