Discos rígidos podem ser gravados com calor

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

© Universidade de York (gravando dados com calor)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Efeito deixa átomo de ferro transparente

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

© DESY (princípio da transparência induzida eletromagneticamente)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Átomo simula asteroides troianos de Júpiter

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

© Minor Planet Center (asteroides troianos)

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

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

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

© TU Vienna (modelo atômico de Bohr)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Physical Review Letters

A influência da gravidade no positrônio

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

© UC (aparelho utilizado para produção do positrônio)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Physical Review Letters

Criado primeiro laser de raios X atômico

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

© SLAC (laser de raios X atômico)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Menor unidade de armazenamento magnético

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Como é que um ímã se comporta nesta fronteira?

Fonte: Science

Lei de Ohm em escala atômica

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

© Bent Weber (microscópio mostra fio em escala atômica)

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

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

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

Fonte: Science

Sistema quântico é meio som e meio matéria

Físicos estão propondo um experimento para observar uma nova entidade quântica, um híbrido de um elétron e uma vibração quântica da rede atômica de um cristal.

© C. Tahan/Laboratory for Physical Sciences (fóniton)

Na imagem acima as setas brancas descrevem um fónon, um quantum de som, em termos dos efeitos de deslocamento que ele induz sobre os átomos da rede atômica de um cristal.

As cores mostram o estado quântico de um elétron "doador", pertencente a um átomo de fósforo, em termos da probabilidade da presença do elétron em qualquer ponto.

Segundo a nova teoria, esses dois estados se conectam para formar um híbrido, um fóniton, um sistema quântico artificial resultado de um fónon e um elétron, ou seja, um fóniton é meio som e meio matéria.

O híbrido que poderá ser encontrado em uma nanoestrutura cristalina  poderá ser útil nas pesquisas dos computadores quânticos.

A estrutura quântica poderá ainda funcionar como um sensor magnético, eventualmente mais preciso do que aquele proposto para o microscópio feito de diamante.

"O fóniton pode melhorar as ferramentas atuais de manipulação das vibrações quantizadas em sistemas mecânicos em nanoescala, ajudando-nos a entender a natureza do som e do calor, além de servir como componente básico em novos sistemas quânticos artificiais em dimensões macroscópicas", propõe o professor Charles Tahan, da Universidade de Maryland, nos Estados Unidos,

Tahan e seus colegas afirmam que o fóniton poderá ser encontrado em uma pastilha de silício dopada com fósforo. Cada átomo de fósforo substitui um átomo de silício, mas fica com um elétron sobrando, que pode ser compartilhado.

Se a estrutura for comprimida ou esticada na intensidade correta, o estado fundamental e o estado de mais baixa energia desse elétron terão uma discrepância de apenas alguns meV (milielétron-volts).

Com isso, um fónon será capaz de forçá-lo a mudar de nível, e o elétron poderá emitir um fónon similar quando retornar ao seu estado fundamental.

Mas, para gerar o novo híbrido, é necessário manter o fónon que chega e o elétron doador acoplados por um longo período, dentro de uma coluna do material feita com camadas de silício e germânio.

Como as redes atômicas do silício e do germânio não coincidem perfeitamente, isso gerará uma tensão permanente no silício. Segundo a teoria, isso será suficiente para produzir um fóniton que sobreviva por alguns milissegundos.

Fonte: Physical Review Letters

Universo teve 10 dimensões no Big Bang

Um grupo de pesquisadores do High Energy Research Accelerator Organization (KEK), da Universidade de Shizuoka e da Universidade de Osaka revelou que o Universo nasceu com três dimensões espaciais a partir de dez dimensões descrita pela teoria das supercordas.

© NASA/Adolf Schaller (Universo Primordial)

A teoria das supercordas descreve que o espaço-tempo tem nove direções espaciais e um sentido temporal.

Segundo o "Modelo Padrão" na cosmologia, o Universo se originou de uma expansão de um ponto invisível minúsculo (singularidade). Esta teoria é fortemente apoiada pela observação da radiação cósmica de fundo e a abundância relativa de elementos. No entanto, uma situação em que o Universo é um ponto minúsculo excede o alcance da teoria geral da relatividade de Einstein, e por isso não foi possível confirmar como o Universo se originou.
Na teoria das supercordas, que é considerada a "teoria de tudo", todas as partículas elementares são representados como vários modos de oscilação das diminutas cordas. Entre os modos de oscilação, há um que corresponde a uma partícula que medeia a gravidade, e, portanto, a teoria geral da relatividade pode ser naturalmente estendida para a escala das partículas elementares.
Portanto, espera-se que a teoria das supercordas permita a investigação do nascimento do Universo. No entanto, o cálculo real tem sido difícil porque a interação entre as cordas é forte, por isso toda a investigação até agora tem sido restrita na indagação de vários modelos.
A teoria das supercordas prevê um espaço com nove dimensões, o que coloca o grande enigma de como isso pode ser consistente com o espaço tridimensional que nós vivemos.
Um grupo de três pesquisadores, Jun Nishimura (professor associado da KEK), Asato Tsuchiya (professor associado da Universidade de Shizuoka) e Sang-Woo Kim (pesquisador da Universidade de Osaka) conseguiu simular o nascimento do Universo, usando um supercomputador para cálculos com base na teoria das supercordas. Isso mostrou que o Universo teve nove dimensões espaciais no início, mas apenas três destas foram submetidas à expansão em algum ponto no tempo.
Neste estudo, a equipe estabeleceu um método para calcular as matrizes de grandes dimensões (no modelo de matriz IKKT), que representam as interações de cordas.

Nos primordios do Universo o espaço é de fato estendido em nove direções, mas, em seguida, em algum momento apenas três dessas direções começam a expandir-se rapidamente. Este resultado demonstra, pela primeira vez, que o espaço tridimensional emerge a partir do espaço nonodimensional que a teoria das supercordas prevê.
Este cálculo foi realizado por simulação numérica com auxílio do supercomputador Hitachi SR16000 do Instituto Yukawa de Física Teórica da Universidade de Kyoto, que possui um desempenho teórico de 90,3 TFLOPS (Teraflops).
O estabelecimento de um novo método para analisar a teoria das supercordas por intermédio de computadores abre a possibilidade de aplicar essa teoria a diversos problemas. Por exemplo, agora deve ser possível fornecer uma compreensão teórica da inflação que se acredita ter ocorrido no início do Universo, e também a expansão acelerada do Universo.

Espera-se que a teoria das supercordas continuará evoluindo e desempenhando um papel importante na resolução de problemas em física de partículas, tais como a existência da matéria escura que é sugerida por observações cosmológicas, e a partícula de Higgs, que está prestes a ser descoberta pelos experimentos do LHC.

Fonte: High Energy Research Accelerator Organization

Descoberta nova partícula subatômica

O Grande Colisor de Hádrons (LHC), acelerador de partículas engajado na busca pelo bóson de Higgs, encontrou uma variedade mais pesada de uma partícula subatômica descoberta inicialmente um quarto de século atrás.

© LHC (íons pesados gerados no LHC)

A nova partícula, um bóson denominado Chi-b(3P), foi descoberta por intermédio da colisão de prótons.

Mas embora não se acredite que o bóson de Higgs seja feito de partículas menores, o Chi-b(3P) compreende duas partículas relativamente pesadas: o quark bottom e seu antiquark. Eles são ligados pela denominada força forte, que também faz os núcleos atômicos ficarem unidos. A Chi-b(3P) é uma versão mais pesada de uma partícula observada pela primeira vez cerca de 25 anos atrás.

A Chi-b(3P) é uma partícula que foi prevista por muitos teóricos, mas não foi observada em experimentos anteriores.

Correntes de prótons são disparadas em direções opostas e paralelas no túnel. Os feixes são, então, subjugados por poderosos ímãs de forma que alguns dos prótons colidam, alinhados com detectores para registrar os destroços subatômicos resultantes.

A teoria por trás do bóson é que a massa não deriva das partículas. Ao invés disso, vem de um bóson que interage fortemente com algumas partículas e menos, quando interage, com outras. Encontrar a Chi-b(3P) será um teste futuro para a potência do LHC, que se tornou o maior colisor de partículas do mundo, quando foi concluído, em 2008.

"Nossas novas medições são uma grande forma de testar cálculos teóricos das forças que atuam em partículas fundamentais, e nos levará mais perto do entendimento de como o Universo se mantém unido", explicou Miriam Watson, cientista britânica que trabalha na pesquisa com o CHi-b(3P).

A massa do Chi-b(3P) ou c_b(3P) é de cerca de 10,5 GeV. Os outros dois estados, detectados previamente em outras experiências de colisão de partículas, são os estados c_b(1P) e c_b(2P) com massas de 9,90 e 10,26 GeV respectivamente.

Fonte: CERN

Sinais da existência do bóson de Higgs

A organização europeia para a pesquisa nuclear CERN, através dos experimentos ATLAS e CMS no LHC (Large Hadron Collider) divulgou sinais da existência do bóson de Higgs.

© CERN (representação de sinal da existência do bóson de Higgs)

Seus resultados são baseados na recente análise de dados, mas não o suficiente para fazer qualquer declaração conclusiva sobre a existência ou não da elusiva partícula de Higgs. A principal conclusão é que de acordo com o Modelo Padrão para o bóson de Higgs existir, é mais provável que possua uma massa restrita à faixa de 116-130 GeV (gigaelétron-volt) pelo experimento ATLAS e 115-127 GeV pelo experimento CMS. Foram vistos picos de energia nestas regiões em ambos os experimentos na região de massa propícia, mas estes ainda não são relevantes o bastante para reivindicar uma descoberta.
O modelo padrão da física de partículas implica na existência do chamado Campo de Higgs que permeia todo o espaço. As partículas que interagem com este campo mais fortemente experimentam uma resistência maior ao seu movimento e por isso parecem mais pesadas. Algumas partículas, porém, como os fótons não interagem com o campo e por isso não possuem massa.

Os bósons de Higgs, se eles existem, têm uma vida muito curta e podem decair de diferentes maneiras. Caso seja produzido a partir das bilhões de colisões no LHC, o bóson rapidamente se transformará em partículas de massa menor e mais estáveis. Serão essas partículas os indícios que poderão comprovar a sua existência, que aparecerão como ligeiras variações em gráficos produzidos pelos detectores.

Dados do ATLAS e do CMS foram analisados em alguns canais de decaimento, e os experimentos puderam gerar pequenos excessos na região de baixa massa que ainda não foram excluídos.

Porém, nenhum desses excessos observados possuem um significado estatístico razoável. Entretanto, foram encontradas evidências da existência da partícula no intervalo de massa entre 124 e 126 GeV - cerca de 130 vezes mais pesado do que os prótons encontrados no núcleo dos átomos. É muito cedo ainda para dizer se o ATLAS e o CMS descobriram o bóson de Higgs, mas algumas conclusões e números apresentados proporcionaram grande interesse da comunidade da física de partículas.

O excesso de massa encontrado em torno de 125 GeV pode caracterizar a existência do bóson de Higgs, mas também poderia ser uma flutuação.

Não pode ser excluída também a presença da partícula entre 115 e 127 GeV por causa de modestos eventos de excesso de massa nessa região. O Modelo Padrão é a teoria que descreve o comportamento das partículas fundamentais e as forças que atuam entre elas. Esse modelo descreve a matéria ordinária, a matéria constituinte do nosso Universo visível. Porém o Modelo Padrão não descreve 96% do Universo que é invisível (matéria escura e energia escura). Um dos principais objetivos do programa de pesquisa do LHC é ir além do Modelo Padrão, e o bóson de Higgs é fundamental para ultrapassar essa fronteira.

O Modelo Padrão de Higgs confirmaria uma teoria colocada na década de 1960, mas existem outras formas possíveis que o bóson de Higgs poderia existir integrando teorias e indo além do Modelo Padrão. Este modelo poderia ainda apontar o caminho para uma nova física, através de sutilezas nesse comportamento que só emergiriam depois de se estudar uma grande quantidade de decaimentos de partículas de Higgs.

Caso se comprove que o Bóson de Higgs não exista, a teoria do Modelo Padrão teria de ser reescrita. Isso poderia abrir caminho para novas linhas de pesquisa, que poderão se tornar revolucionárias na compreensão do Universo.

Fonte: CERN

Neutrinos roubam a cena mais uma vez

Os neutrinos voltam à cena com os primeiros resultados do experimento Double Chooz, colaboração internacional, com participação brasileira, que tem por objetivo observar o seu estranho comportamento.

© Fermilab (ilustração do sumiço dos neutrinos)

O experimento mostrou, com sucesso, o curioso desaparecimento de neutrinos e conseguiu encontrar um valor para o parâmetro físico que explica esse fenômeno.

Neutrinos são partículas subatômicas sem carga que de tão pequenas conseguem passar através de sólidos sem causar alterações. De fato, somos atravessados por neutrinos emitidos pelo Sol toda hora.

Existem três tipos de neutrinos: os do elétron, do tau e do múon. Recentemente, descobriu-se que essas partículas têm a curiosa propriedade de se transformar uma na outra durante sua propagação.

Os neutrinos também são produzidos, artificialmente, durante a fissão do urânio em reatores nucleares ou em aceleradores, como o LHC (Grande Colisor de Hádrons). Desde março deste ano, um detector de neutrinos do elétron está em funcionamento na usina de Chooz, na França, medindo as partículas que são emitidas e as que chegam a 1 km do reator.

© Double Chooz (usina nuclear de Chooz)

Depois de 100 dias de medição, os pesquisadores envolvidos no projeto observaram o desaparecimento dos neutrinos do elétron, o que significa que, em sua viagem do reator até o ponto onde está localizado o detector, eles devem ter se transformado em neutrinos do tau ou do múon, não identificáveis pelo equipamento usado.

Em reunião realizada no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF) em outubro, pesquisadores do mundo inteiro compararam a quantidade de partículas emitidas pelo reator com o número de partículas que sumiram e chegaram ao valor mais preciso já obtido até hoje para o chamado “ângulo de mistura teta 13” (lê-se ‘um três’), um importante parâmetro envolvido na transformação dos neutrinos em curtas distâncias.

Alguns experimentos com aceleradores, como o japonês T2K, recentemente sugeriram valores para o teta 13, mas não com a precisão de 92% obtida pelo Double Chooz. “Quando falamos desse ângulo de mistura, estamos falando de medir algo muito pequeno, por isso sempre foi muito difícil encontrar esse valor”, conta o físico João dos Anjos, coordenador da equipe do CBPF no projeto.

A medida precisa do teta 13 é necessária para se chegar ao valor de outra incógnita de nome complicado na física de partículas, a chamada violação de carga paridade, que pode ajudar a explicar o mistério do sumiço da antimatéria, prevista na teoria do Big Bang sobre a origem do Universo.

E o fim desse mistério pode estar próximo. Em meados do ano que vem, o Double Chooz já terá um ano inteiro de medições, o que pode tornar o valor de teta 13 mais preciso ainda.

A medida do teta 13 é necessária para se chegar ao valor de uma incógnita da física que pode ajudar a explicar o mistério do sumiço da antimatéria

Esses resultados devem ser apresentados durante o congresso de Neutrinos 2012 em julho, em Tóquio, Japão, e espera-se que eles ajudem os pesquisadores do experimento T2K a encontrar o valor do parâmetro que pode explicar o sumiço da antimatéria.

Fonte: Ciência Hoje

Transístor quântico diminui consumo de energia

Um avanço demonstrado por pesquisadores da IBM e do Instituto Politécnico Federal de Lausanne, na Suíça, através dos fenômenos quânticos será possível diminuir o consumo de energia dos equipamentos eletrônicos por um fator de 100.

© IBM (ilustração de um transístor quântico com nanotubos)

Como o grande limitador ao aumento de velocidade dos processadores é justamente o elevado consumo de energia, econsequentemente o calor dissipado por eles, é de se esperar um aumento equivalente na velocidade de processamento.

Recentemente, a IBM anunciou uma tecnologia que usa metal líquido para retirar calor dos processadores, afirmando que isso permitiria colocar um supercomputador atual dentro de um celular em breve.

O segredo está em um novo tipo de transístor, o elemento fundamental de toda a eletrônica, chamado Túnel-FET, ou TFET.

O termo túnel se refere ao fenômeno do tunelamento quântico, pelo qual uma partícula consegue atravessar uma barreira física - este fenômeno já é largamente utilizado, por exemplo, nos microscópios eletrônicos de tunelamento.

A tecnologia atual é baseada nos transistores de efeito de campo (FET, da sigla em inglês), onde um fluxo de elétrons ativa ou desativa o transístor - um fluxo de bilhões de elétrons, que esquenta tudo por onde passam.

No transístor, duas câmaras são separadas por uma barreira de energia. Na primeira, uma multidão de elétrons fica esperando quando o transístor está desligado. Quando é aplicada uma tensão, eles cruzam a barreira de energia, ativando o transístor. É o que se chama de injeção termal.

Ocorre que alguns elétrons acabam cruzando essa barreira antes da hora, mesmo que aparentemente não tivessem energia para tanto. Esse é o efeito túnel, que sempre atrapalhou o funcionamento dos transistores.

Estreitando a barreira do transístor torna-se possível amplificar o efeito quântico e passar a basear o funcionamento do transístor inteiro nesse tunelamento, que é a chamada injeção por tunelamento. A energia necessária para que os elétrons cruzem a barreira é reduzida drasticamente.

"Substituindo o princípio do transístor de efeito de campo tradicional pelo efeito túnel, pode-se reduzir a tensão dos transistores de 1 volt para 0,2 volt," afirmou o Dr. Adrian M. Ionescu, que está desenvolvendo o Túnel-FET juntamente com Heike Riel.

Sua adoção é viável, uma vez que os processadores poderão ser construídos com FETs e Túnel-FETs convivendo no mesmo chip.

"Os protótipos atuais foram construídos em ambiente pré-industrial. Nós podemos razoavelmente esperar vê-los em produção em massa por volta de 2017," disse Ionescu.

Fonte: Nature

Luz gerada pelo vácuo

Um experimento, previsto há mais de 40 anos,  produziu luz a partir do vácuo.

© Philip Krantz/ U. Chalmers (ilustração do efeito Casimir dinâmico)

O grupo formado por Christopher Wilson e seus colegas da Universidade Chalmers, na Suécia, conseguiu capturar fótons que oriundos do vácuo quântico, aparecendo e desaparecendo continuamente.

O experimento é baseado num dos mais estranhos e importantes princípios da mecânica quântica: o princípio de que o vácuo não é um vazio "repleto de nada".

Na verdade, o vácuo é composto de partículas que estão flutuando continuamente entre a existência e a inexistência: elas surgem do vácuo quântico e têm uma vida efêmera e desaparecem novamente.

Seu tempo de vida é tão curto que esses fótons são mais comumente conhecidos como partículas virtuais.

O que os pesquisadores fizeram foi obter alguns desses fótons e dar-lhes a eternidade em termos quânticos, ou seja, transformá-los em fótons reais, luz que pode ser detectada por um sensor e medida.

Para capturar os fótons virtuais, os pesquisadores simularam um espelho movendo-se a uma fração significativa da velocidade da luz. O fenômeno, conhecido como efeito de Casimir dinâmico, foi observado experimentalmente pela primeira vez.

"Como não é possível fazer um espelho mover-se rápido o suficiente, nós desenvolvemos outra técnica para obter o mesmo efeito," explica o professor Per Delsing, coordenador da equipe. "Em vez de variar a distância física até um espelho, nós variamos a distância elétrica de um circuito elétrico que funciona como um espelho para microondas".

O espelho consiste em um sensor quântico conhecido como SQUID (Superconducting Quantum Interference Device), que é extremamente sensível a campos magnéticos.

Alterando a direção do campo magnético vários bilhões de vezes por segundo, os cientistas fizeram o espelho vibrar a uma velocidade equivalente a 25% a velocidade da luz.

Isto é cinco vezes mais do que a tentativa anterior, quando os cientistas afirmaram pela primeira vez ter produzido luz a partir do nada - aquele artigo, contudo, ainda não havia sido aceito para publicação em uma revista científica, o que significa que outros cientistas não haviam avaliado o experimento.

"O resultado foi que os fótons apareceram em pares do vácuo, e nós pudemos medi-los na forma de radiação de microondas," disse Delsing, ou seja, exatamente como a teoria previa.

O que acontece durante o experimento é que o espelho transfere uma parte de sua energia cinética para os fótons virtuais, o que os ajuda a se "materializarem".

Segundo a mecânica quântica, vários tipos de partículas estão presentes no vácuo quântico. Os cientistas acreditam que foram capazes de detectar os fótons porque eles não têm massa.

"É necessário relativamente pouca energia para excitá-los e tirá-los do estado virtual. Em princípio, pode-se criar outras partículas do vácuo, como elétrons e prótons, mas isso vai exigir um bocado mais de energia," disse Delsing.

Agora os cientistas querem estudar em detalhes esses fótons emergentes: como eles surgem aos pares, os cientistas acreditam que eles possam ser úteis para o desenvolvimento de computadores quânticos, com seus qubits de partículas entrelaçadas.

Fonte: Nature

Leis da Física variam ao longo do Universo

Uma pesquisa afirma que as leis da natureza podem variar ao longo do Universo.

© John Webb (variação da constante alfa)

O gráfico mostra medições feita pelo telescópio Keck e VLT (Very Large Telescope). Os quadrados são dados do VLT, os círculos do Keck, e os triângulos são quasares observados em ambos.

O estudo concluiu que uma das quatro forças fundamentais, o eletromagnetismo, parece variar de um lugar para outro.

O eletromagnetismo é medido por meio da chamada constante de estrutura fina, simbolizada pela letra grega alfa (α).

Esta constante é uma combinação de três outras constantes: a velocidade da luz (c), a carga do elétron (e) e a constante de Planck (h), onde α = e²/hc.

O resultado é cerca de 1/137, um número sem dimensão, o que a torna ainda mais fundamental do que as outras constantes, como a gravidade, a velocidade da luz ou a carga do elétron.

Em termos gerais, a constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética, ou seja, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.

Agora, John Webb e pesquisadores das universidades de Nova Gales do Sul e Swinburne, na Austrália, e Cambridge, no Reino Unido, mediram o valor de alfa em cerca de 300 galáxias distantes, usando dados do VLT do ESO, no Chile.

Observaram que numa direção, a partir de nossa localização no Universo, a constante alfa vai ficando gradualmente mais fraca, e gradualmente mais forte na direção oposta.

Isso mostra uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo, de certa forma coincidente com medições anteriores que deram origem à teoria do chamado Fluxo Escuro, que indica que uma parte da matéria do nosso Universo estaria vazando por uma espécie de "ralo cósmico", sugada por alguma estrutura de um outro universo.

A descoberta, se confirmada, terá profundas implicações para o nosso entendimento do espaço e do tempo, e viola um dos princípios fundamentais da teoria da Relatividade Geral de Einstein, o princípio da equivalência de Einstein.

Essas violações são de fato esperadas por algumas “teorias de tudo”, que tentam unificar todas as forças fundamentais. Uma alteração suave e contínua de alfa pode implicar que o Universo seja muito maior do que a parte dele que conseguimos observar, possivelmente infinito.

O professor Webb afirma que esta descoberta também pode dar uma resposta muito natural para uma questão que tem intrigado os cientistas há décadas: por que as leis da física parecem tão bem ajustadas para a existência da vida?

"A resposta pode ser que outras regiões do Universo não são tão favoráveis à vida como nós a conhecemos, e que as leis da física que medimos em nossa parte do Universo são meramente 'regras locais'. Neste caso, não seria uma surpresa encontrar a vida aqui," afirma o cientista.

Isto porque basta uma pequena variação nas leis da física para que, por exemplo, as estrelas deixem de produzir carbono, o elemento básico da vida como a conhecemos.

Para chegar às suas conclusões, os cientistas usaram a luz de quasares muito distantes como faróis.

O espectro da luz que chega até nós, vinda de cada quasar, traz consigo sinais dos átomos nas nuvens de gás que a luz atravessou em seu caminho até a Terra.

Isto porque uma parte da luz é absorvida por estes átomos, em comprimentos de onda específicos que revelam a identidade desses átomos.

Essas linhas de absorção são então comparadas com as mesmas assinaturas encontradas em laboratório aqui na Terra para ver se a constante alfa é mesmo constante.

Os resultados mostraram que não, que alfa varia ao longo de um eixo que parece atravessar o Universo, assim como um eixo magnético atravessa a Terra.

Se há variação em uma das constantes, é de se esperar que as outras constantes fundamentais também variem.

Portanto, é preciso projetar experimentos que possam verificar variações na gravidade, na carga do elétron ou na velocidade da luz.

Fonte: Physical Review Letters