O sutil comportamento nuclear com neutrinos

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

© Fermilab/MINERvA (detector de neutrinos)

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

Fonte: Scientific American Brasil

Núcleo de átomo com formato de pera

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Nova partícula subatômica é descoberta

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

© Chinese Academy of Sciences (BES III)

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

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

Fonte: Institute of High Energy Physics

Triângulos emissores de luz

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

© Terrones Lab (camadas triangulares de tungstenite)

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

Fonte: Nano Letters

A quebra o limite de Chandrasekhar?

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

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

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

Mas como tais campos magnéticos podem ser gerados?

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

Fonte: Physical Review Letters

Nanoestruturas brilham com feixes de elétrons

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

© Elizabeth M. King (catodoluminescência do clinopiroxênio)

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

Fonte: Nature

O teletransporte da energia magnética

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

© Jordi Prat-Camps (teletransporte do campo magnético)

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

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

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

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

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

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

Fonte: Physical Review Letters

Explorando a transição de fótons

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

© CNRS (explorando a contínua transição de fótons)

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

Fonte: Scientific American Brasil

Prêmio Nobel é atribuído à pesquisa quântica

O francês Serge Haroche e o americano David Wineland ganharam nesta terça-feira o prêmio Nobel de Física, segundo anunciou a Academia Real das Ciências da Suécia.

© Nobelprize.org (gato de Schrödinger)

Uma questão central na física quântica é a transição entre o mundo quântico e clássico. Esta questão é ilustrada de uma maneira popular, pelo chamado paradoxo do gato de Schrödinger. Este nome refere-se a um experimento proposto por Schrödinger em 1935, destacando a dificuldade em aplicar os conceitos da mecânica quântica para a vida cotidiana.

Os dois cientistas foram agraciados pelo trabalho na avaliação e manipulação de partículas individuais preservando sua natureza quântica, através de revolucionários métodos experimentais que permitem avaliar e manipular sistemas quãnticos individuais.

Estas pesquisas possibilitará construir um sistema de computadores mais rápido do que o atual por meio da física quântica. Há, ainda, a expectativa de que as pesquisas de Haroche e Wineland permitam analisar, controlar e até contar as partículas quânticas.

As primeiras pesquisas utilizando física quântica também levaram à possibilidade de criação de relógios extremamente precisos, estabelecendo um novo padrão, marcando o tempo com precisão cem vezes maior do que os relógios atuais de Césio.

Este ano, o Prêmio Nobel de Física honra as invenções e descobertas experimentais que permitiram a medição e controle de sistemas quânticos individuais. Eles pertencem a duas tecnologias distintas, porém relacionadas: íons em uma armadilha harmônica e fótons em uma cavidade.
Existem várias semelhanças interessantes entre os dois. Em ambos os casos, os estados quânticos são observados por meio de sistemas de dois níveis acoplados a um oscilador harmônico quantizado, um problema descrito pelo assim chamado Hamiltoniano Jaynes-Cummings. O sistema de dois níveis é constituído por um íon (com dois níveis acoplados por meio de luz laser) ou um átomo altamente excitado (com dois níveis de Rydberg acoplados por meio de um campo de microondas). O oscilador harmónico quantizado descreve o movimento dos íons na armadilha ou o campo de microondas no interior da cavidade.

© CNRS e NIST (Serge Haroche e David Wineland)

Haroche nasceu em 1944 em Casablanca (Marrocos) e atualmente é catedrático de Física Quântica no Colégio da França e na Escola Normal Superior, ambos em Paris. Enquanto, o americano Wineland também nasceu em 1944 e trabalha no Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) de Boulder (Colorado, EUA).

Os vencedores deste prêmio, dotado com 8 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhões), é 20% menos que no ano passado.

A premiação do Nobel de Físisca será realizada, de acordo com a tradição, em Estocolmo no dia 10 de dezembro, coincidindo com o aniversário da morte de Alfred Nobel.

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

Violando a simetria da inversão temporal

Prevista há meio século, a assimetria da inversão temporal na física de partículas só agora foi claramente demonstrada.

© SLAC (detector BaBar)

As interações fracas de partículas elementares têm sido conhecida por serem assimétricas sob CP, a operação combinada de P paridade e de conjugação de carga C, a substituição de partículas por suas antipartículas. Mas a invariância absoluta sob CPT, a combinação de CP com reversão do tempo T, é um teorema alicerce do modelo padrão da teoria de partículas. Por isso, prevê que as interações fracas deve violar a invariância T para compensar a violação de CP. Mas só agora tem a primeira evidência clara e direta da violação de T. Durante uma década, até seu encerramento em 2008, o PEPII colisor elétron-pósitron no SLAC National Accelerator Laboratory, operado pela Universidade de Stanford, foram produzidos 200 milhões de pares de mésons B neutros em estados quânticos emaranhados de tal forma que o modo de decaimento de um méson B instantaneamente fixa o estado de seu parceiro, talvez um milímetro de distância. Carregando o pesado quark bottom, o méson B é cerca de cinco vezes a massa do próton, e que vive um mísero picosegundo. A equipe que utilizou o detector do colisor BaBar já explorou o emaranhamento para determinar que as taxas de transição entre os autoestados do méson B dependem da direção temporal de uma forma que só pode ser atribuída à violação da simetria de T. O sinal da violação de T corresponde a uma significância de 14 desvios padrão (σ), e a sua amplitude é consistente com a preservação da simetria CPT.

Fonte: Physics Today

Revelada imagem dos níveis de Landau

Físicos observaram diretamente os níveis de Landau pela primeira vez desde que foram teoricamente concebidos por Lev Davidovich Landau em 1930, laureado com o Prêmio Nobel em 1962.

© U. Warwick (nível de Landau obtido experimentalmente)

Os níveis de Landau são os níveis quânticos que determinam o comportamento dos elétrons em um forte campo magnético.

Utilizando espectroscopia de tunelamento, os cientistas da Universidade de Warwick e da Universidade Tohoku revelaram a estrutura em forma de anel interna desses níveis de Landau na superfície de um semicondutor. O desafio experimental era ter resolução espacial suficiente, a fim de superar a desordem intrínseca do material em que normalmente só permite a observação de estados esparsos. As imagens mostram claramente que Landau estava certo quando previu que, em um sistema limpo, os elétrons assumiriam a forma de anéis concêntricos, o número aumenta de acordo com seu nível de energia.
Este comportamento simples de contagem constitui a base do chamado efeito Hall quântico. Embora originalmente de interesse fundamental na maior parte, o efeito, nos últimos anos tem sido utilizado para definir o padrão para o que se entende por resistência elétrica e pode assim ser utilizado para definir o quilograma também. O professor Rudolf Roemer, do Departamento de Física da Universidade de Warwick, disse: "Este é um passo importante para nós, que estamos realmente vendo pela primeira vez funções de onda individuais da mecânica quântica de elétrons em materiais reais".

No entanto, a questão sobre o que define um quilograma está sendo debatido, com o espaçamento entre os anéis destes níveis de Landau agindo como uma espécie de marcador para um peso universal. Então da próxima vez que você medir o açúcar para fazer um bolo, você pode, sem saber, estar fazendo uso desses anéis quânticos!

A pesquisa foi publicado na revista Physical Review Letters.

Fonte: Phys.Org

Lei de Planck violada em nanoescala

Em uma nova experiência, uma fibra de sílica com 500 nm através de ter sido demonstrado que não obedecem à lei de Planck da radiação.

© Christian Wuttke (esquema do experimento)

Em vez disso, dizem os físicos austríacos Christian Wuttke e Arno Rauschenbeutel que realizaram o trabalho, a fibra aquece e resfria de acordo com uma teoria mais geral, que considera a radiação térmica como um fenômeno fundamentalmente granel. O trabalho pode levar a mais eficientes lâmpadas incandescentes e poderia melhorar a nossa compreensão da mudança climática da Terra, afirmam os pesquisadores.
A pedra angular da termodinâmica, a lei de Planck descreve como a densidade de energia em comprimentos de onda diferentes da radiação electromagnética emitida por um "corpo negro" varia de acordo com a temperatura do corpo. Foi formulado pelo físico alemão Max Planck, no início do século 20 utilizando o conceito de quantização de energia que foi de ir e servir como base para a mecânica quântica. Enquanto um corpo negro é um objeto, idealizada perfeitamente emitindo e absorvendo, a lei prevê previsões muito precisas para os espectros de radiação de objetos reais uma vez aquelas propriedades dos objetos de superfície, tais como cor e rugosidade, são levados em conta.
No entanto, os físicos já sabiam há décadas que a lei não se aplica a objetos com dimensões menores que o comprimento de onda da radiação térmica. Planck assumido que toda a radiação atingindo um corpo negro será absorvida na superfície do referido corpo, o que implica que a superfície é também um emissor perfeito. Mas, se o objeto não é grossa o suficiente, a radiação pode sair do outro lado do objeto em vez de ser absorvido, o que por sua vez reduz sua emissão.

Através da medição do tempo entre ressonâncias, os investigadores descobriram que a fibra ser de aquecimento e arrefecimento muito mais lentamente do que o previsto pela lei de Stefan-Boltzmann. Esta lei é uma conseqüência da lei de Planck e define como a potência total irradiada por um objeto está relacionada com a sua temperatura. Em vez disso, eles encontraram a taxa observada para ser um jogo muito próximo do previsto pela teoria conhecida como fluctuational eletrodinâmica, que leva em conta não apenas as propriedades de um corpo de superfície, mas também o seu tamanho e forma mais seu comprimento de absorção característica.

A pesquisa também pode melhorar a compreensão de como pequenas partículas na atmosfera, tais como os produzidos pela erosão do solo, a combustão ou erupções vulcânicas, contribuem para as alterações climáticas. Tais partículas pode esfriar a Terra, refletindo a radiação solar, ou aquecer a Terra, absorvendo a radiação térmica do nosso planeta, devido aos gases do efeito estufa.

Fonte: Physics World

Criado novo elemento químico

Cientistas do Japão afirmam ter conseguido criar em laboratório o elemento químico de número atômico 113 (ou seja, que tem 113 prótons no seu núcleo).

© RNC (decaimento do elemento 113)

Segundo o artigo, os pesquisadores do RIKEN Nishina Center for Accelerator-based Science (RNC) identificaram o 113 indiretamente, através de seis decaimentos alfa (ou seja, emitiu cinco partículas alfa, equivalentes ao núcleo do átomo de Hélio).

O novo elemento é considerado superpesado, ou seja, não é encontrado naturalmente na natureza e só pode ser feito em laboratório através de reatores nucleares ou aceleradores de partículas. Até agora, somente os Estados Unidos, Rússia e Alemanha haviam descoberto elementos superpesados.

Em 12 de agosto, os pesquisadores japoneses colocaram íons de zinco para viajar a 10% da velocidade da luz. Estes colidiram com uma fina camada de bismuto e o resultado foram íons muito pesados que foram seguidos por uma cadeia de diversos decaimentos alfa consecutivos. Foram estes que foram identificados como produto do 113° elemento.

Este feito colocam os pesquisadores do Japão no páreo pela paternidade do elemento 113, já que em 2004 e 2005 pesquisadores dos Estados Unidos e Rússia já tinham afirmado ter feito a descoberta, contudo estes observaram apenas quatro vezes a emissão de partículas alfa. Acontece que o 113 ao decair duas vezes vira dúbnio e o decaimento deste em laurêncio é bem conhecido pelos cientistas, e serve para provar a existência do novo elemento.

Curiosamente, é muito fácil achar tabelas periódicas com o elemento 113 descoberto em 2004. Contudo, a União Internacional de Química e Pura e Aplicada (IUPAC) não reconheceu o feito, como pode ser observado na tabela periódica.

Os cientistas japoneses afirmam que foram nove anos de procura por dados para provar a descoberta do 113. A próxima meta deles é encontrar um elemento ainda mais pesado, de número atômico 119.

Fonte: Journal of Physical Society of Japan

Congelamento de monopolos magnéticos

Os monopolos magnéticos são entidades onde o pólo norte e sul magnéticos estão separados, e não deveriam existir.

© Discovery (monopolo magnético)

Se você tentar dividir um ímã de barra no meio, tudo que você conseguirá são dois ímãs, cada um com um pólo norte e sul. Em anos recentes, no entanto, a existência de monopolos, pelo menos sob a forma de "quasipartículas" consistindo de excitações coletivas entre muitos átomos, foi prevista e demonstrada em laboratório. Agora Stephen Powell, um cientista do Joint Quantum Institute (JQI) e da Universidade de Maryland, tem aguçado o quadro teórico em que os monopolos podem operar. Os fluxos estáveis ​​de monopolos magnéticos são aparentemente impossíveis, mas as correntes transitórias têm sido demonstradas, e se poderia imaginar a criação de uma corrente alternada, o equivalente magnético da eletricidade, chamada de “magnetricidade”, que pode ser explorada para a concepção de novos tipos de alta densidade de armazenamento de dados. As leis do eletromagnetismo preveem uma simetria muito grande entre forças elétricas e magnéticas. Esta igualdade não se estende, no entanto, as cargas magnéticas. As cargas elétricas isoladas, sob a forma de elétrons, são evidentemente muito comuns. Estas cargas são atraídas ou repelidas mutuamente, com uma força inversamente proporcional ao quadrado da distância entre as cargas. Uma carga positiva e uma carga negativa pode se juntar para formar um dipolo elétrico neutro. A situação no magnetismo parece diferente: dipolos sim, monopolos não. Mas novas idéias e novas experiências mudaram o pensamento convencional. Primeiro, as experiências com os elétrons frios fluindo em uma superfície bidimensional pode, sob a ação de poderosos campos magnéticos, serem estimulados a se moverem em órbitas circulares. Estas órbitas, por sua vez parecem interagir na produção de "quasipartículas" que têm uma carga igual a uma fracção da carga do elétron convencional. Este é o efeito Hall quântico fracionário.

Poderia haver um análogo de dipolos magnéticos? Poderia as circunstâncias permitem a existência dos pólos magnéticos isolados?

As experiências recentes e na Alemanha e na França apontam para esta possibilidade, o denominado "gelo de spin", um material sólido feito de elementos do disprósio (Dy), titânio (Ti), oxigênio (O). O bloco básico de construção destes materiais é um par de agrupamentos tetraédricos, constituído tipicamente de dois átomos de Dy (cada um dos quais atua como um ímã diminuto) apontando para fora de cada tetraedro e dois apontando para dentro. Isto é análogo ao da orientação de átomos de hidrogênio em gelo de água, daí o nome de "gelo de spin".

© Stephen Powell (representação do gelo de spin)

Normalmente todos os pólos magnéticos devem ser confinados dentro de dois pólos distintos, o dipolo magnético tradicional. No entanto, a uma temperatura suficientemente baixa, cerca de 5 K (kelvin), os átomos tentam se alinharem entre si, mas não podem por causa da geometria inerente do material conduzindo a um estado desordenado com flutuações fortes, sincronizados. Os pólos magnéticos separados podem se formar no meio deste tumulto, ou seja, as "quasipartículas" no gelo de spin com uma rede de "carga" magnética podem existir e se movimentarem. Um gás de cargas elétricas é chamado de "plasma", e a nuvem tênue análoga de cargas magnéticas é chamada de  "plasma monopolo."

Esta nova pesquisa explora o que acontece quando as flutuações são congeladas, por exemplo, em temperaturas ainda mais frias, ou em um elevado campo magnético. Mostra também como os monopolos estão confinados em dipolos magneticamente neutros novamente. Este estudo é o primeiro a prescrever a transição de fase a partir da fase de monopolo (também chamada de fase de Coulomb) para a fase de pólo confinado.

Fonte: Physical Review Letters

Medindo o formato de um fóton

Pesquisadores conseguiram pela primeira vez medir o complexo "formato" de um fóton, as assim chamadas "partículas" individuais da luz.

© M. Bellini/NIO (ilustração do formato de um fóton)

O feito teve a participação da brasileira Katiuscia Nadyne Cassemiro, professora da Universidade Federal de Pernambuco.

Em termos estritos, um fóton não é uma partícula e nem exatamente uma onda, ele é uma excitação de um campo eletromagnético.

E, como tal, a medição de sua forma promete ajudar a criar novas formas de criptografar informações.

Os pesquisadores desenvolveram uma técnica para refinar as medições de uma série de fótons individuais que estão em estados idênticos, mas arbitrários.

Isso expande também as possibilidades de usar os complicados "estados internos da luz" para transmitir dados.

Um pulso de luz tem uma grande gama de formatos possíveis, uma vez que sua forma é definida pelas amplitudes e fases de seus componentes de frequência.

Assim, é possível codificar informações no formato do fóton e transmiti-lo de um lugar para outro.

E a liberdade é tão grande que um único fóton pode não apenas representar qualquer letra do alfabeto, como até mesmo conter uma combinação quântica, uma superposição de várias letras.

O experimento agora realizado tem a ver com a leitura desse fóton, quando ele chega ao destino, o que é necessário para retirar dele a informação que ele carrega.

A técnica consiste em misturar o fóton a ser medido com um pulso de laser, permitindo que o fóton e o pulso interfiram mutuamente, reforçando ou cancelando um ao outro, dependendo do seu formato; quanto mais parecidos, maior é a probabilidade de detectar o formato preciso do fóton.

A equipe otimizou o método repetindo a mixagem várias vezes, com fótons idênticos, e redesenhando periodicamente o pulso de laser com base nas medições anteriores.

Finalmente, eles demonstraram que a técnica permite a recuperação de informações intencionalmente codificadas nos complexos estados de um fóton individual.

Fonte: Physical Review Letters