quinta-feira, 30 de setembro de 2010

Objetos movidos por 1,5 m apenas com luz

Cientistas desenvolveram método para mover apenas com o uso de luz partículas por distâncias nunca conseguidas anteriormente. Foi usado um raio laser especialmente criado para a pesquisa.
raio laser movendo pequena partícula
© ANU (raio laser movendo pequena partícula)
Equipe do Centro de Física a Laser, da Universidade Nacional da Austrália, conseguiu mover partículas extremamente pequenas por 1,5 m usando apenas a força do raio laser. O tamanho das microesferas variava entre 60 e 100 micrometros.
Por 40 anos, cientistas usaram radiação de luz para mover e manipular pequenos objetos. Até agora, os movimentos eram restritos a pequenas escalas, por não mais que milhares de micrometros - e a maioria em líquidos. Manipulação óptica de partículas por grandes distâncias podem ter várias aplicações, como permitir o transporte de contêineres com substâncias perigosas sem a necessidade de toque.
O laser não funciona no vácuo, então seu uso é de grande importância na Terra, como na montagem de micro máquinas e componentes eletrônicos.
Fonte: Phys.Org

sábado, 25 de setembro de 2010

Pista para a gravitação quântica

A medição direta de efeitos de gravitação quântica é praticamente impossível. Os motivos são que eles têm origem em locais inacessíveis ao homem, como em buracos negros, e seus efeitos são extremamente sutis.
ilustração gravitação quântica
© NASA (ilustração gravitação quântica)
Mas um grupo de físicos brasileiros desenvolveu um meio de se estudar indiretamente um desses fenômenos, a flutuação da velocidade da luz, por meio de experimentos de propagação de ondas acústicas em fluídos com aleatoriedade, como em coloides, líquidos heterogênios que contêm partículas ou moléculas de diferentes tamanhos em suspensão.
O trabalho foi realizado por Gastão Krein, do Instituto de Física Teórica (IFT) da Universidade Estadual Paulista (Unesp), Nami Svaiter, do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), e Gabriel Menezes, pós-doutorando da Unesp.
A ideia surgiu de que a propagação do som em fluidos coloides poderia apresentar efeitos simililares aos da luz em ambientes nos quais a gravitação quântica seria relevante.
As flutuações em um fluido podem ser clássicas ou quânticas. A pesquisa demonstra a validade de se usar microvibrações em coloides como plataforma para estudo da gravitação quântica. Os dois fenômenos são descritos por equações matemáticas similares.
Se estudos com coloides são comuns e conhecidos, o mesmo não se pode dizer do segundo fenômeno. Um dos feitos da gravidade quântica é que a velocidade da luz não é uma constante, como ensina a física clássica, mas flutua de um ponto a outro devido aos efeitos quânticos. Estima-se que esse tipo de gravidade esteja presente em buracos negros e tenha vigorado durante o Big Bang.
Outros experimentos com fluidos já haviam sido propostos para estudar efeitos de gravidade quântica, mas o brasileiro é o primeiro a contemplar o estudo das flutuações da velocidade da luz através das flutuações da velocidade de propagação de ondas acústicas em fluidos.
Os pesquisadores pretendem investigar, por meio de modelos com fluidos, o equivalente a um buraco negro e como vibrações acústicas quânticas são criadas e destruídas próximos a essas formações no espaço.
Os físicos buscam compreender melhor o fenômeno conhecido como “radiação Hawking”, prevista em 1973 pelo físico inglês Stephen Hawking. Segundo Hawking, os buracos negros encolhem com a perda de energia por meio dessa radiação.
“Com um fluido, podemos controlar parâmetros do experimento, como a densidade e a concentração das partículas em suspensão, e, com isso, aprender como muda a propagação do som de maneira controlável no laboratório. Isso permitirá construir correlações dos resultados com o que ocorre na gravitação quântica”, disse Krein.
Fonte: Physical Review Letters e Agência FAPESP

quinta-feira, 23 de setembro de 2010

Medidos efeitos da Teoria da Relatividade em pequenas alturas

O Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia do Estados Unidos (NIST) conseguiu demonstrar que a teoria mais famosa de Albert Einsten é mensurável mesmo a pequenas alturas, e que o tempo passa mais rápido para corpos a alguma distância do chão do que para corpos encostados no solo.
efeitos relativísticos próximo do solo
© Science (efeitos relativísticos próximo do solo)
A Teoria da Relatividade afirma que o tempo passa mais depressa em maiores elevações em decorrência da diminuição da força gravitacional. É um efeito muito pequeno, da ordem de bilhonésimos de segundo, mas existe.
A grande sacada dos cientistas do NIST foi conseguir medir esta diferença. Eles utilizaram dois relógios atômicos que utilizam vibrações de um único íon de alumínio entre dois níveis de energia para calcular o tempo.
Os cientistas mediram a diferença de tempo decorrido entre dois relógios atômicos de alumínio separados por cerca de 33 cm de altura. Observaram também que a diferença de tempo é irrelevante para a escala humana, cerca de 90 bilionésimos de segundo em um período de 79 anos. Em termos práticos, isso quer dizer que a cabeça de uma pessoa, a quase dois metros do chão, envelhece mais depressa que seus pés.
Além disso, a Relatividade de Einstein ainda foi comprovada em outros aspectos, como na passagem mais lenta do tempo a maiores velocidades. O experimento mediu o chamado "Paradoxo dos Gêmeos" também por meio dos relógios atômicos. O paradoxo afirma que se dois gêmeos estiverem viajando em foguetes, o que estiver voando a uma velocidade maior voltará mais novo.
A equipe acredita que os experimentos podem um dia ser úteis para a geodésia, ciência que estuda as variações do campo gravitacional terrestre, com aplicações em geofísica, hidrologia e testes de física experimental no espaço.
Fonte: Science

quinta-feira, 16 de setembro de 2010

Aniquilação de matéria e antimatéria pode criar laser de raios gama

O positrônio é um átomo exótico, de vida extremamente curta, formado pela união de um elétron com sua antipartícula, o pósitron, sem um núcleo.
câmara de alto vácuo para criação de positrônio
© UC Riverside (câmara de alto vácuo para criação de positrônio)
Em 2005, físicos da Universidade da Califórnia criaram uma molécula de positrônio, uma substância completamente nova, também chamada de matéria artificial, porque ela essencialmente é formada por uma junção de matéria e antimatéria. O feito foi confirmado em 2007.
Agora, a mesma equipe conseguiu isolar pela primeira vez uma amostra de átomos de positrônio polarizados pelo spin. O spin é uma propriedade fundamental e intrínseca de um elétron, e se refere ao momento angular do elétron. Átomos polarizados pelo spin são átomos que estão todos no mesmo estado de spin.
Uma grande amostra de átomos de positrônio spin-polarizados (com mesmo estado de spin) é necessária para criar uma outra forma especial da matéria, chamada condensado de Bose-Einstein, onde bilhões de átomos entram em sintonia e se comportam como se fossem um gigantesco átomo individual.
Para obter este resultado a densidade dos átomos de positrônio foi elevada, propiciando aniquilamento parcial quando interagem entre si.
Os átomos de positrônio podem ser de dois tipos, quanto ao spin: up e down. Os átomos de positrônio só são aniquilados quando um tipo up se encontra com um tipo down. Dois átomos com o mesmo spin não se afetam.
Na colisão de matéria e antimatéria é gerado um disparo de raios gama. Esse gerador de raios gama pode ser a fonte de radiação necessária para criar um laser de raios gama e para produzir energia por fusão nuclear.
A eventual produção de um condensado de positrônio possibilitará compreender por que o universo é feito de matéria, e não de antimatéria ou simplesmente energia pura, além de auxiliar na mensuração da interação gravitacional da matéria com a antimatéria.
Fonte: Physical Review Letters

sexta-feira, 10 de setembro de 2010

Leis da Física podem variar ao longo do Universo

Uma equipe de astrofísicos está propondo uma teoria que muda radicalmente a forma como entendemos o Universo. O grupo afirma ter encontrado indícios de que as leis da física são diferentes em diferentes partes do Universo.
constante de estrutura fina
© Julian Berengut/UNSW (constante de estrutura fina)
O artigo propõe que uma das supostas constantes fundamentais da natureza talvez não seja assim tão constante.
Em vez disso, este "número mágico", conhecido como constante de estrutura fina, ou constante alfa, parece variar ao longo do Universo. A constante alfa mede a magnitude da força eletromagnética, ou seja, a intensidade das interações entre a luz e a matéria.
Há alguns anos, físicos propuseram que alfa poderia ter variado ao longo do tempo,  numa escala de 12 bilhões de anos, mas agora os físicos propõem que ela varia ao longo do espaço.
Pelos dados obtidos pelos pesquisadores, a constante alfa não seria constante, mas variável, contrariando o princípio da equivalência de Einstein, que estabelece que as leis da física são as mesmas em qualquer lugar.
As implicações para o nosso entendimento atual da ciência são profundas. Se as leis da física passam a ser apenas localizadas, pode ser que, embora a nossa parte observável do Universo favorece a existência da vida e dos seres humanos, outras regiões mais distantes podem ter diferentes leis que se oponham à formação da vida, pelo menos tal como a conhecemos.
As conclusões dos pesquisadores foram baseadas em medições realizadas com o Very Large Telescope (VLT), no Chile, e com os maiores telescópios ópticos do mundo, no Observatório Keck, no Havaí.
"Os telescópios Keck e VLT estão em hemisférios diferentes, eles olham para direções diferentes ao longo do Universo. Quando olhamos para o norte com o Keck, vemos em média um alfa menor nas galáxias distantes, mas quando olhamos para o sul com o VLT, vemos um alfa maior. A variação observada é muito pequena, não mais do que 1 parte em 100.000. Mas é possível que variações muito maiores possam ocorrer fora do nosso horizonte observável", explica o Dr. Julian King, coautor do trabalho.
"Depois de medir a constante alfa em cerca de 300 galáxias distantes, surgiu uma consistência: este número mágico, que nos dá a força do eletromagnetismo, não é o mesmo em todos os lugares, como ele é aqui na Terra, e parece variar continuamente ao longo de um eixo preferencial através do universo," explica o professor John Webb, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália.
eixo magnético universal
© John Webb/UNSW (eixo magnético universal)
Este talvez seja o elemento mais intrigante da proposta, o fato de a variação ter sido detectada como uma continuidade ao longo do espaço, o que daria uma espécie de "eixo preferencial" para o Universo; é como se houvesse um eixo magnético universal, atravessando todo o Universo observável, da mesma forma que há um eixo magnético de polo a polo da Terra.
De forma bastante interessante, esse eixo magnético universal coincide 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.
Se os dados se confirmarem, e não tiverem outra explicação menos revolucionária, um achado como esse poderia obrigar os cientistas a repensarem totalmente sua compreensão das leis da Natureza.
"A constante de estrutura fina, e outras constantes fundamentais, são absolutamente centrais para a nossa teoria atual da Física. Se elas realmente variam vamos precisar de uma teoria melhor, mais profunda," diz o Dr. Michael Murphy, coautor do trabalho.
A variação das leis da física, seja no espaço ou no tempo, sempre ocupou a mente dos cientistas. Pelas teorias atuais, uma pequena variação de alfa, por exemplo, significaria que as estrelas não produziriam carbono, a base da química que forma a vida na Terra.
É por isso que os cientistas afirmam que são as características "especiais" deste nosso ponto no Universo que criam as condições para a vida como a conhecemos, características estas que poderiam não existir em outros pontos.
"Embora uma 'constante variável' possa abalar a nossa compreensão do mundo que nos rodeia, afirmações extraordinárias exigem evidências extraordinárias. O que estamos descobrindo é extraordinário, não há dúvida sobre isso," diz Murphy.
Será que uma variação de 1 em 100.000 é assim tão extraordinária para corroborar esta hipótese teórica?
Fonte: Physical Review Letters (artigo submetido)

sexta-feira, 3 de setembro de 2010

Elétrons são flagrados com massa negativa

Físicos do Instituto Max Born, em Berlim, descobriram que elétrons no interior de cristais semicondutores têm uma massa inercial negativa quando são fortemente acelerados em um campo elétrico.
equipamento utilizado para identificar a massa negativa do elétron
© Uwe Bellhäuser (identificação da massa negativa do elétron)
No século 17, Isaac Newton descobriu que uma força faz com que um corpo acelere. A massa inercial do corpo é determinada pela relação entre força e aceleração, ou seja: dada uma mesma força, um corpo mais leve é acelerado mais fortemente do que um corpo pesado.
Assim, partículas elementares, como os elétrons livres, que têm uma massa de apenas 9,109×10-31 kg, podem ser acelerados em campos elétricos a velocidades extremamente altas.
Se o campo elétrico for pequeno, o movimento dos elétrons no interior de cristais é regido pelas mesmas leis. Neste regime, a massa de um elétron no cristal é apenas uma pequena parte da massa de um elétron livre.
O que os pesquisadores demonstraram é que os elétrons nos cristais, quando submetidos a campos elétricos extremamente elevados, apresentam um comportamento completamente diferente.
Segundo os experimentos, a massa dos elétrons se torna até mesmo negativa!
Para obter esse resultado, eles aceleraram os elétrons até uma velocidade de 4 milhões de quilômetros por hora em um período e tempo extremamente curto de 100 femtossegundos (=0,000 000 000 000 1 segundo).
Como a massa de um corpo é positiva, a aceleração deve se dar sempre no mesmo sentido da força aplicada sobre ele.
Contudo, logo depois de ser acelerado, o elétron pára e então, inesperadamente, move-se para trás. Isto significa que a aceleração está no sentido oposto à força, o que só pode ser explicado, segundo os físicos, por uma massa inercial negativa do elétron.
Apesar de estranhos, os resultados estão de acordo com os cálculos feitos pelo Prêmio Nobel de Física Felix Bloch, mais de 80 anos atrás.
Segundo os físicos, a verificação experimental do fenômeno abre caminho para um novo regime de transporte de cargas elétricas, com grande impacto nos futuros dispositivos microeletrônicos.
As frequências observadas estão na faixa dos terahertz (1 THz = 1000 GHz = 10¹² Hz), cerca de 1000 vezes superior à taxa de clock dos computadores mais modernos.
Fonte: Physical Review Letters

quarta-feira, 25 de agosto de 2010

Teoria sobre moléculas que piscam

O físico Boldizsár Jankó e seus colegas da Universidade de Notre Dame, nos Estados Unidos, finalmente descobriram a fonte de um dos grandes mistérios da físico-química: moléculas que cintilam.
pontos quânticos e fluorescência
© Boldizsár Jankó (pontos quânticos e fluorescência)
Há mais de um século, o físico Neils Bohr, um dos pais da mecânica quântica, previu os chamados saltos quânticos. Sua teoria diz que os elétrons não se moviam suavemente para cima e para baixo em relação ao núcleo do átomo. Em vez disso, eles ocupariam órbitas bem determinadas, e só se movimentariam entre elas dando saltos quânticos, eventualmente emitindo luz quando o salto quântico os levasse para órbitas de menor energia.
Apesar dessa ideia ter sido altamente controversa nos tempo de Bohr, ela passou a ser aceita pelos físicos e foi finalmente observada experimentalmente em 1980. Mais recentemente, com o desenvolvimento de técnicas de imageamento capazes de filmar moléculas, foi possível observar saltos semelhantes em moléculas individuais.
Durante os experimentos, estes saltos quânticos puderam ser vistos como interrupções discretas na emissão de luz contínua de algumas moléculas, revelando um fenômeno que passou a ser conhecido como intermitência da fluorescência.
No entanto, embora alguns casos dos pisca-piscas moleculares possam ser diretamente atribuídos aos saltos quânticos originais de Bohr, há um número muito maior de casos onde a intermitência da fluorescência não segue as previsões da teoria.
E são casos de grande importância não apenas para a ciência, mas também para a tecnologia: proteínas fluorescentes, largamente utilizadas em biomedicina, moléculas captadoras de luz, importantes tanto para a fotossíntese quanto para as células solares, e, mais recentemente, estruturas inorgânicas criadas pela nanotecnologia, são alguns exemplos.
Como o fenômeno das moléculas piscantes não se enquadrava na teoria da mecânica quântica, os físicos consideraram por muito tempo que o fato de as moléculas "ligarem" e "desligarem" sua fluorescência eram fenômenos isolados, não relacionados um com o outro.
Até que, em 2007, o físico argentino Fernando Stefani, da Universidade de Buenos Aires, publicou um trabalho no qual ele demonstrava indícios de uma estreita correlação entre o ligar e o desligar dessas estrelas moleculares. Mas os pesquisadores continuaram sem um modelo teórico capaz de explicar essas correlações.
Agora, Jankó e seu grupo finalmente desenvolveram um modelo que explica os fenômenos de intermitência da fluorescência e que confirma o que Stefani observou experimentalmente. Ou seja, o acender e o apagar das moléculas fluorescentes são mesmo oriundos de um mesmo fenômeno. Se o processo de intermitência das moléculas puder ser controlado, então a emissão de luz dos pontos quânticos também poderá.
nanofios semicondutores e fluorescência
© Boldizsár Jankó (nanofios semicondutores e fluorescência)
Esses fundamentos científicos poderão ser a base para a aplicação nos nanofios, usados para gerar energia a partir do movimento; para a geração de imagens precisas de células cancerígenas individuais e de imagens em tempo real de uma infecção viral, como o HIV, dentro de uma célula; e também de uma nova geração de "telas quânticas" superbrilhantes para computadores, TVs, telefones celulares e outros aparelhos eletrônicos; e mesmo de novas técnicas de iluminação ambiente para residências e escritórios.
Fonte: Nano Letters

sexta-feira, 20 de agosto de 2010

Laser poderá criar matéria do vácuo

O princípio de incerteza de Heisenberg, um dos pilares da mecânica quântica, implica que nenhum espaço pode estar inteiramente vazio. De fato, e para desespero final dos materialistas, a ciência já demonstrou que a matéria é resultado das flutuações do vácuo quântico.
  Super Laser
© ELI (ilustração do Extreme Light Infrastructure)
É desse vácuo quântico que nunca é vazio que emerge a matéria. Flutuações aleatórias do vácuo quântico geram constantemente uma multiplicidade de partículas, as chamadas partículas virtuais, entre elas elétrons e pósitrons.
Elétrons são bem conhecidos, deram nome à eletrônica. Os pósitrons também já estão sendo úteis na maioria dos laboratórios clínicos e hospitais, nos famosos exames de tomografia por emissão de pósitrons (PET-Scan).
Os pósitrons são partículas de antimatéria, mais especificamente, são antielétrons. Como elétrons e pósitrons surgem aleatoriamente do vácuo quântico, eles se encontram e se aniquilam quase com a mesma rapidez com que surgem. E esse equilíbrio de matéria e antimatéria garante que não fique jorrando matéria do nada o tempo todo.
O que os físicos querem fazer agora é tornar reais essas partículas virtuais, fazê-las romper o limiar de sua vida efêmera e trazê-las à existência real.
A possibilidade de que isso aconteça foi prevista por Fritz Sauter, em 1931. Segundo ele, um campo elétrico forte o suficiente pode transformar as partículas virtuais em partículas reais de tal forma que possam ser detectadas.
Alexander Fedotov e seus colegas da Rússia, França e Alemanha, acreditam que o experimento, finalmente, começará ser viabilizado por volta de 2015, quando será inaugurada a primeira etapa do Extreme Light Infrastructure (ELI). A seguir o gráfico mostra a intensidade em W/cm² nos últimos 50 anos.
intensidade do ELI© ELI (intensidade do ELI)
O ELI, um projeto conjunto de 13 países europeus, será o laser de maior potência já construído, cerca de seis vezes mais forte do que os mais fortes atualmente. Ele deverá gerar pulsos ultra curtos de radiação de alta energia, cerca de 100 GeV, suficientes para fazer com que partículas acelerem até próximo da velocidade da luz.
Fedotov e seus colegas acreditam que o ELI será suficiente para gerar 1026 Watts por centímetro quadrado. Segundo seus cálculos, isso será o bastante para dar vida às partículas virtuais.
Em 1997, uma equipe do acelerador SLAC, da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, conseguiu criar pares de elétrons-pósitrons. Mas a potência do ELI poderá permitir uma reação em cadeia, criando os pares aos milhões.
produção de pares elétrons-pósitrons
© ELI (esquema da produção de pares elétrons-pósitrons)
Segundo Fedotov e seus colegas, o primeiro par de elétron-pósitron criado será acelerado pelo laser, gerando luz. Estes fótons, juntamente com os demais fótons do laser, vão criar mais pares, que gerarão mais fótons para se juntar ao laser, e assim por diante, fazendo finalmente a matéria jorrar do nada. Ou melhor, jorrar do vácuo quântico.
Enquanto esperam até que os engenheiros façam o seu trabalho, o físicos continuarão procurando pela quarta propriedade do elétron, que também poderá lançar alguns fótons sobre o paradeiro de toda a antimatéria que teria sido criada no Big Bang. Ou sonhando com o super colisor de partículas linear, que deverá ser o sucessor do LHC, e que promete não apenas responder a algumas dessas questões imateriais, como lançar outras exponencialmente mais impensáveis.
Fonte: Physical Review Letters

terça-feira, 17 de agosto de 2010

Um buraco quântico deixado por elétron

Físicos do Instituto Max Planck de Óptica Quântica, na Alemanha, já bateram o recorde mundial de menor tempo já medido e recentemente desbancaram uma teoria de um século, mostrando que o efeito fotoelétrico tem um retardamento temporal devido a uma interação entre os elétrons.
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© Nature (espectro de absorção dos íons de criptônio)
Agora, foi observado pela primeira vez o que ocorre dentro de um "buraco quântico", o "vazio" deixado no átomo quando um único elétron de sua camada de valência é ejetado.
Os movimentos dos elétrons em suas órbitas atômicas duram apenas alguns poucos attossegundos (um bilionésimo de um bilionésimo de segundos). Mas o que exatamente essas partículas elementares fazem na "atmosfera dos átomos" é algo ainda em grande parte desconhecido.
O que é bem claro é que não se pode determinar o momento e a localização de uma partícula quântica, como o elétron, ao mesmo tempo. Por isto, o movimento dessas partículas elementares é descrito em termos de uma nuvem de elétrons, chamada "densidade probabilística das partículas".
E esta nuvem de elétrons está sujeita a uma rápida pulsação quando sofre uma excitação, com a incidência de um fóton.
O que os cientistas fizeram agora foi observar o movimento da nuvem de elétrons quando um dos elétrons no átomo é ejetado por um pulso de luz.
O experimento é um prosseguimento do estudo anterior, que determinou que um elétron excitado por um fóton, o princípio de funcionamento das células solares, demora 20 attossegundos para deixar o átomo.
Desta vez, a equipe do Dr. Ferenc Krausz usou pulsos de luz de 100 attossegundos para observar o que acontece no local exato de um átomo do gás nobre criptônio onde um elétron é expulso de sua órbita por um pulso de luz.
Quando o pulso de laser arranca um elétron, o átomo se torna um íon, com carga positiva. No momento em que o elétron deixa o átomo, cria-se uma lacuna, com carga positiva, dentro do íon. Do ponto de vista da mecânica quântica, esse espaço livre continua a pulsar dentro do átomo.
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© Nature (movimento da lacuna positiva deixada pelo elétron)
Os que os físicos conseguiram fazer agora foi observar diretamente esta pulsação, criando uma fotografia virtual do buraco quântico.
O experimento demonstrou que a posição da lacuna dentro do íon, ou seja, a localização da carga positiva, move-se para trás e para frente, variando entre uma forma alongada e uma forma compacta, em ciclos com uma duração de 6 femtossegundos (milésima parte do attossegundo).
"Nossas experiências nos deram uma visão única em tempo real desse microcosmo," comenta o Dr. Krausz. "Usando flashes de luz de attossegundos, nós registramos pela primeira vez processos da mecânica quântica dentro de um átomo ionizado."
O feito ajuda a compreender a dinâmica das partículas elementares fora do núcleo atômico, que é mais extensamente estudado em experimentos como o LHC.
Em sistemas mais complexos, em nível molecular, este tipo de dinâmica é o principal responsável pela sequência dos processos químicos e biológicos.
Um entendimento mais preciso dessa dinâmica poderá abrir as portas para o entendimento de fenômenos que vão da origem microscópica de doenças atualmente incuráveis até a aceleração gradual da velocidade de processamento dos computadores.
Fonte: Nature

sábado, 7 de agosto de 2010

Fenômenos quânticos em sistemas mecânicos

Um acoplamento de espelhos que emitem fótons através da luz e um ressonador micromecânico que é forte o bastante para transferir efeitos quânticos para o mundo macroscópico pode caracterizar esta interação.
levitação óptica
© Nature (oscilação optomecânica)
A física quântica é cheia de paradoxos e comportamentos bizarros, como gatos em caixas que estão vivos e mortos ao mesmo tempo e partículas que interagem instantaneamente mesmo quando uma delas foi para o outro lado da galáxia.
O entrelaçamento de partículas e a superposição quântica são fenômenos bem conhecidos e explorados pelos pesquisadores que estão tentando construir computadores quânticos. Uma superposição quântica é um estado no qual uma partícula, como um fóton ou um átomo, existe simultaneamente em dois locais, somente quando se tenta detectar sua posição, sua função de onda colapsa e uma das posições é estabelecida.
O entrelaçamento quântico, algumas vezes chamado de emaranhamento, foi o que Albert Einstein chamou de "ação fantasmagórica à distância", ele permite que as partículas compartilhem informações instantaneamente, mesmo estando fisicamente separadas por grandes distâncias.
E será que essas leis da física quântica podem de alguma forma serem aplicadas aos objetos em escala humana, ou pelo menos a objetos que possam ser vistos a olho nu? Esta é uma questão que os próprios físicos têm se perguntado desde o início da formulação da teoria.
interação quântica
© Nature (interação quântica)
O estudo do comportamento quântico em pequenos sistemas mecânicos tem como prioridade fundamental a eliminação de interferências nas interações entre o sistema e o seu ambiente. As vibrações térmicas aleatórias do ambiente são facilmente transferidas para o objeto mecânico, destruindo suas frágeis propriedades quânticas.
Para resolver este problema, pesquisadores do mundo todo começaram a usar dispositivos criogênicos, onde o ambiente é resfriado a uma temperatura muito baixa, reduzindo a magnitude dessas vibrações aleatórias, e a isolar os sistemas quânticos em armadilhas magnéticas para que o sistema não tenha nenhum contato direto com o ambiente externo.
Recentemente, as tecnologias de micro e nanofabricação estão permitindo que os cientistas façam experimentos de acoplamento entre o mundo quântico e mundo mais trivial.
As pesquisas começaram com pequenos objetos que oscilam mecanicamente, chamados ressonadores, que se comportam como se fossem pêndulos. Como existem ressonadores com tamanhos que vão desde vários centímetros até algumas poucas centenas de nanômetros, eles são os maiores objetos em que se pode testar a teoria quântica.
O objetivo das pesquisas eram transferir as propriedades de um sistema quântico elementar constituído de um átomo, um elétron ou um fóton para o objeto mecânico macroscópico. Para isso, são necessárias duas condições: primeiro, o ressonador mecânico deve ser resfriado até próximo do zero absoluto; segundo, a força entre o ressonador mecânico e o átomo, elétron ou fóton deve ser forte o suficiente para superar o decaimento natural das propriedades quânticas, tecnicamente chamado decoerência.
Para gerar o acoplamento forte necessário é utilizado um princípio bem conhecido na óptica quântica: um ressonador óptico. Como a reflexão de um único fóton através de um espelho não gera a força suficiente para acionar o ressonador mecânico, os fótons são injetados entre dois espelhos paralelos, onde ficam refletindo entre um e outro até adquirirem energia suficiente para escapar através de um dos espelhos, que não é um refletor perfeito.
Com o número suficiente de fótons, capazes de superar a tendência natural à decoerência, a troca de energia entre a luz e o oscilador mecânico acontece mais rapidamente do que o tempo que os fótons precisam para sair da armadilha óptica formada pelos dois espelhos; com isso, o movimento da luz e do ressonador mecânico entram em sintonia, ficando acoplados.
Os efeitos do mundo quântico parecem também vazar para o mundo macro, porque a oscilação não é nem puramente mecânica e nem puramente óptica, é um híbrido entre as duas, uma oscilação optomecânica.
Com aplicações deste tipo é possível testar até que ponto as leis da física quântica são válidas no mundo macro.
Fonte: Nature

terça-feira, 3 de agosto de 2010

Técnica para medir rotação da luz

A luz pode ter um "momento angular orbital", uma espécie de rotação, mas que se parece mais com um planeta orbitando ao redor do Sol do que girando sobre seu próprio eixo.
rotação da luz com difração triangular
© U. F. de Alagoas (rotação da luz com difração triangular)
Medir essa propriedade é complicado, mas pesquisadores brasileiros mostram que dirigir um feixe luminoso através de um buraco triangular cria uma matriz triangular de pontos que indica diretamente a dinâmica orbital angular desse feixe.
A técnica, simples e elegante, é uma ferramenta importante para explorar uma propriedade incomum da luz, que poderá no futuro ser usada para codificar informações quânticas.
Quando um feixe de luz possui momento angular, esse momento angular pode ter dois elementos. O momentum angular "spin" corresponde à polarização circular da luz para a direita ou para esquerda, o que significa que a direção do campo elétrico gira no sentido horário ou anti-horário conforme a luz se move para a frente.
O momento angular orbital ocorre quando a direção do campo elétrico varia no interior do feixe. Por exemplo, imagine medir a direção do campo elétrico em cada ponto ao redor de um feixe de luz de grande diâmetro. Ele pode apontar para cima, para a direita, para baixo, ou para a esquerda.
Este feixe pode ter uma unidade de momento angular orbital, uma "carga topológica" de um. O campo de um feixe de carga dois poderia dar duas rotações completas conforme você se move ao redor de seu contorno.
Os pesquisadores esperam aproveitar esta propriedade para transportar informações com a luz, exatamente como eles já fazem com a polarização, pois enquanto cada fóton tem apenas dois estados de spin distintos, há potencialmente infinitos estados do momento angular orbital. O problema é que até agora não havia um método de distinguir os diversos estados do momento angular orbital de forma eficiente.
Os físicos já haviam descoberto como gerar feixes que possuam momento angular orbital e usá-los para exercer torque sobre partículas, movimentando-as.
Mas Jandir Miguel Hickmann e seus colegas da Universidade Federal de Alagoas, em Maceió, afirmam que há uma quantidade muito pequena de pesquisas que exploram o que acontece quando esses raios de luz passam por aberturas muito pequenas.
Esses experimentos de difração geram padrões de pontos que os físicos vêm usando há muito tempo para analisar as propriedades da luz comum, mas as técnicas para medir o momento angular orbital são poucas e mais complicadas.
Quando Hickmann e seus colegas simularam a difração de feixes de luz passando através de furos de variados formatos, eles descobriram que o uso de um triângulo isósceles traz um benefício inesperado: "Você pode simplesmente contar os pontos para descobrir a carga topológica". Os pesquisadores também verificaram esta previsão experimentalmente.
A equipe calculou e observou que, uma vez que o feixe está centrado no furo, ele gera um padrão incomum: uma rede triangular de pontos. O brilho de cada ponto individual depende das contribuições combinadas da luz a partir de diferentes locais no buraco triangular.
Os cálculos preveem que os pontos mais brilhantes formam um triângulo cujo tamanho (o número de pontos em cada um dos seus lados) é uma unidade maior do que a magnitude da carga topológica.
Além disso, o padrão luminoso triangular é girado em 60 graus em qualquer direção em relação à abertura, com a direção dependendo do sinal da carga (o sentido de rotação da luz). Assim, a abertura triangular representa uma maneira fácil de medir a magnitude e o sinal do momento angular orbital.
Miles Padgett, da Universidade de Glasgow, na Escócia, comentando o artigo dos brasileiros, afirmou que "Foi uma surpresa, pelo menos para mim, que haja uma relação tão simples e bonita" entre o número de pontos difratados, a orientação do padrão, a magnitude e o sinal da carga topológica.
Fonte: Physical Review Letters

segunda-feira, 2 de agosto de 2010

Busca da quarta propriedade do elétron

Os elétrons são partículas elementares com carga negativa que formam camadas em torno dos átomos e dos íons. Esta definição poderá exigir uma complementação.
antimatéria
© Revista Física (ilustração da quarta propriedade do elétron)
Muitos físicos acreditam que os elétrons têm um momento de dipolo elétrico permanente. Como os pólos magnéticos norte e sul de um ímã, existem também dois pólos elétricos. Um momento de dipolo elétrico geralmente é criado quando cargas positivas e negativas são separadas espacialmente. No caso dos elétrons, a situação é muito mais complicada porque os elétrons não deveriam ter realmente qualquer dimensão espacial.
Apesar disso, muitas teorias físicas vão além do Modelo Padrão da física de partículas elementares e de fato baseiam-se na existência de um momento de dipolo. E não são teorias quaisquer, são teorias que tentam explicar como o Universo foi criado.
Segundo as teorias mais aceitas atualmente, há cerca de 13,7 bilhões de anos, o Big Bang teria criado quantidades iguais de matéria e de antimatéria.
Mas matéria e antimatéria destroem-se mutuamente. Logo, nada deveria ter permanecido. Na realidade, porém, criou-se muito mais matéria do que antimatéria.
Um momento de dipolo elétrico do elétron poderia explicar este desequilíbrio.
Até agora, porém, ninguém conseguiu provas da existência deste suposto momento de dipolo, eventualmente porque as técnicas atuais simplesmente não são sensíveis o suficiente.
Mas um pequeno pedaço de cerâmica está para mudar toda essa história. Marjana Lezaic e Konstantin Rushchanskii, da Universidade da Califórnia em Santa Barbara, nos Estados Unidos, projetaram essa cerâmica simulando o comportamento quântico dos átomos em um supercomputador.
A cerâmica é o titanato de bário-európio (Eu0.5Ba0.5TiO3), que tem algumas propriedades muito especiais, permitindo a realização de medições 10 vezes mais sensíveis do que foi feito até hoje. Isto deverá ser suficiente para localizar o momento de dipolo elétrico do elétron.
A ideia é usar um magnetômetro SQUID, o sensor magnético mais sensível já construído, para medir a magnetização do pedaço de cerâmica quando ele for submetido a um campo elétrico.
Como um momento elétrico não pode ser medido diretamente, os cientistas esperam demonstrar uma mudança na magnetização quando o campo elétrico é invertido. Isto seria um indício da existência do elusivo momento do dipolo elétrico.
reversão de dipolo do elétron
© Nature Materials (reversão de dipolo do elétron)
Se o campo elétrico for invertido, os momentos de dipolo dos elétrons serão revertidos, levando, consequentemente, a uma mudança simultânea mensurável na magnetização.
Em um elétron, um dipolo elétrico só pode ser orientado paralelamente ou antiparalelamente ao spin do elétron. Em um campo elétrico, a maioria dos elétrons são orientados de tal forma que seu momento dipolo é paralelo ao campo. Poucos são orientados na outra direção.
Isso deve levar a uma magnetização mensurável. Se o campo elétrico for invertido, os momentos de dipolo dos elétrons serão revertidos, levando, consequentemente, a uma mudança simultânea mensurável na magnetização.
Se não existir um momento de dipolo elétrico, a magnetização deverá permanecer inalterada.
Uma equipe da Universidade de Praga, na República Tcheca, já sintetizou e caracterizou o material em laboratório, confirmando as propriedades calculadas pelos colegas norte-americanos.
Mas o cobiçado momento de medir o dipolo do elétron ainda não chegou. "Efeitos indesejados ainda estão inibindo as medições," conta Lezaic, sem esconder a decepção. "Mas estamos trabalhando intensamente na melhoria do material."
Fonte: Nature Materials

sexta-feira, 30 de julho de 2010

O grafeno exibe nova propriedade física

O grafeno, uma estrutura finíssima de carbono com apenas um átomo de espessura, surpreendeu pesquisadores da Universidade da Califórnia Berkeley recentemente. Uma nova propriedade deste material foi observada quando um experimento estava em andamento: a criação de um campo pseudomagnético, de longe o mais forte jamais conseguido em laboratório. A descoberta poderá ser usada em futuros dispositivos eletrônicos.
 nanotubos de grafeno no miscroscópio de tunelamento
© Universidade da Califórnia Berkeley (nanotubos de grafeno)
Os físicos descobriram que quando o grafeno é esticado para formar nanotubos em um substrato de platina, os elétrons se comportam de forma estranha, como se estivessem se movimentando em um campo magnético forte. “Este é um fenômeno físico completamente novo nunca visto em nenhum sistema de matéria condensada”, disse o professor e líder da equipe Michael Crommie da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do Departamento de Energia dos EUA.
Apesar de muitos materiais já terem sidos testados em campos magnéticos para determinar como seus elétrons se comportam, o máximo de força destes campos conseguida em laboratório até hoje é de 85 T (tesla) e com duração de apenas milésimos de segundos. Quando campos magnéticos mais fortes são criados, os ímãs se afastam um do outro.
A capacidade de fazer com que os elétrons se comportem como se estivessem em um campo magnético de 300 teslas ou mais, apenas esticando o grafeno, oferece uma nova janela para uma gama de aplicações importantes e descobertas científicas fundamentais. Isto só é possível com o comportamento de elétrons do grafeno, um material diferente de qualquer outro já observado. Para fins comparativos, um aparelho de ressonância magnética comum, capaz de atrair objetos metálicos volumosos, cria um campo de apenas 3 teslas. Bobinas de campo eletromagnético pulsado conseguem criar campos de até 100 teslas, mas apenas por frações de segundo, sob o risco de explodirem.
A ideia de que uma deformação de grafeno poderia levar ao aparecimento de um campo pseudomagnético apareceu primeiro quando folhas de grafeno foram isoladas, em um contexto de nanotubos de grafeno.
O grupo de pesquisa de Crommie usou um microscópio de tunelamento de varredura para estudar monocamadas de grafeno crescendo em um substrato de platina. A platina possui um arranjo triangular de átomos e se encolhe mais do que o grafeno quando é resfriada. Dessa forma, a platina acaba puxando o grafeno em três direções diferentes, fazendo com que a molécula se enrugue e forme bolhas tetraédricas minúsculas, de 4 a 10 nanômetros de largura na base e alguns nanômetros de altura. O microscópio de tunelamento funciona usando uma sondagem de agulhas afiadas que passam ao longo da superfície de um material para medir as variações diminutas de mudanças na corrente elétrica, revelando a densidade de estados eletrônicos em cada ponto da varredura, enquanto constrói uma imagem da superfície.
Na mecânica quântica, as órbitas de elétrons se tornam quantificáveis e exibem níveis discretos de energia.  Estes níveis são chamados de níveis de Landau e correspondem a energias onde interferências ocorrem em uma função quântica de onda de elétrons orbitando. O número de elétrons ocupando cada nível de Landau depende da força do campo; quanto maior é o campo, maior é a energia de espaçamento entre os níveis de Landau, e os estados eletrônicos se tornam mais densos em cada nível. A força do campo é uma característica chave dos campos pseudomagnéticos previstos no grafeno. 
A densidade maior dos estados eletrônicos revelada pela  espectroscopia de tunelamento de varredura, que correspondia aos níveis de Landau, em alguns casos indicaram campos pseudomagnéticos gigantes acima de 300 teslas.
Fonte: Science

quinta-feira, 29 de julho de 2010

Intel apresenta chip fotônico a laser

A Intel anunciou um avanço importante rumo à utilização de feixes de luz para substituir o uso da eletricidade no transporte dos dados nos computadores.
A empresa desenvolveu um protótipo de chip fotônico que realizou, pela primeira vez, uma transmissão óptica de dados com lasers integrados em um chip de silício.
chip transmissor composto por quatro lasers
© Intel (chip transmissor composto por quatro lasers)
O link óptico é capaz de transmitir dados a distâncias maiores e em velocidades muito mais rápidas do que é possível com a tecnologia atual, chegando a até 50 gigabits de dados por segundo, isso equivale a transferir um filme inteiro em alta definição a cada segundo. O feito é a primeira demonstração prática de um chip fotônico criado pela empresa em 2006.
Os chips dos computadores atuais são interligados por fios de cobre ou por trilhas metálicas nas placas de circuito impresso. Devido à degradação do sinal gerada quando metais são utilizados para transmitir dados, esses cabos têm que ser muito curtos.
Isso limita o projeto dos computadores, porque exige que processadores, memória e outros componentes sejam colocados a poucos centímetros uns dos outros.
O novo chip fotônico é um passo importante para substituir essas conexões, que usam elétrons para transferir dados por finíssimas fibras ópticas que usam fótons para transferir muito mais dados a distâncias muito maiores.
A grande vantagem do novo chip fotônico é a sua construção baseada no silício, que é muito mais barato e fácil de lidar do que outros materiais pesquisados na área, como o arseneto de gálio.
O impacto da fotônica à base de silício vai além do interior dos computadores. Com as taxas de transmissão de dados alcançadas com esta tecnologia é possível imaginar telas 3D gigantescas, ocupando paredes inteiras, com uma resolução tão alta que será difícil distinguir o ambiente da sala do ambiente do filme.
Os datacenters também terão muito a ganhar, podendo ficar espalhados por vários locais diferentes, em vez de ficarem restritos a espaços pequenos, limitados pelos grossos cabos de cobre que interligam os diversos servidores.
A tecnologia ainda não está pronta para chegar ao mercado, mas ela permite que os engenheiros testem novas ideias e aprimorem as tecnologias para transmitir dados a velocidades crescentes.
link de dois chips fotônicos de silício
© Intel (link de dois chips fotônicos de silício)
O campo das telecomunicações já utiliza lasers para transmitir informações opticamente, mas essas tecnologias, em seu nível atual, são caras e volumosas demais para serem usadas dentro de um computador pessoal.
O link de 50Gbps é estabelecido por dois chips fotônicos de silício, ambos com lasers integrados, um funcionando como transmissor e outro como receptor.
O chip transmissor é composto por quatro lasers, cujos feixes de luz são dirigidos a um modulador óptico, responsável por codificar os dados a 12,5 Gbps. Os quatro feixes são então combinados e injetados em uma única fibra óptica, alcançando a taxa de transferência total de 50Gbps.
Na outra ponta do link, o chip receptor faz o inverso, separando a luz da fibra óptica nos quatro feixes individuais e enviando-os para os fotodetectores, que convertem os dados de volta em sinais elétricos.
Os pesquisadores já estão trabalhando para aumentar a taxa de transferência de dados. Para isso eles pretendem acelerar o modulador e aumentar o número de lasers por chip, abrindo caminho para os links ópticos do futuro, na faixa dos terabits por segundo, que é o suficiente para transferir todos os dados de um laptop típico em um segundo.
Fonte: Intel

quarta-feira, 28 de julho de 2010

Matéria quântica em queda livre

Uma amostra de condensado de Bose-Einstein instalada em uma cápsula foi observada enquanto era submetida a queda livre a partir de uma altura de 120 metros, simulando uma situação de ausência de gravidade.
 cápsula quântica
© Universidade de Bremen (cápsula quântica)
O experimento, realizado por um grupo internacional de cientistas e publicado recentemente na revista Science, reúne fundamentos das duas maiores revoluções da Física do século passado: a Teoria da Relatividade Geral e a Mecânica Quântica.
Apesar da aparente simplicidade, o experimento, coordenado por Tim van Zoest, do Instituto de Óptica Quântica da Universidade Leibniz, em Hannover (Alemanha), pode representar um passo fundamental em direção a uma nova revolução no estudo das propriedades gravitacionais da matéria quântica, abrindo caminho para observações de altíssima precisão, especialmente se os experimentos puderem ser reproduzidos no espaço com o uso de interferômetros atômicos.
Por suas implicações para o futuro da Física, o artigo mereceu um comentário na mesma edição da revista. Para essa tarefa, foram convidados dois pesquisadores do Instituto de Física (IF) da Universidade de São Paulo (USP): Paulo Nussenzveig e João Carlos Alves Barata.
Nussenzveig, que atua nas áreas de óptica quântica, física atômica e informação quântica, havia publicado em setembro de 2009, também na Science, artigo sobre uma descoberta relacionada ao emaranhamento quântico. A excelência do grupo brasileiro na área foi reconhecida pelos editores da revista norte-americana.
Segundo Barata, que atua na área de física matemática, o interesse pelo artigo não está nos resultados do experimento em si, que são limitados. Mas as técnicas e os instrumentos utilizados abrem perspectivas interessantes que poderão resultar em importantes conquistas no futuro.
"Certas revoluções científicas nascem de grandes mudanças de paradigmas, como a própria Teoria da Relatividade Geral. Outras nascem de mudanças em equipamentos e técnicas, como a invenção do laser. O experimento realizado pela equipe de Zoest se enquadra nessa última categoria, ao desenvolver meios que permitirão, no futuro, fazer testes muito precisos sobre a relatividade geral".
No comentário, os cientistas da USP explicam que os conceitos de "revoluções científicas induzidas por conceitos e equipamentos" foram extraídos do livro Imagined Worlds, do físico norte-americano Freeman Dyson.
O experimento coordenado por van Zoest foi realizado em Bremen, na Alemanha. Uma cápsula foi lançada de 120 metros de altura por dentro de uma torre onde foi feito vácuo. Os três segundos de queda, segundo Barata, são considerados um tempo relativamente longo para esse tipo de experimento.
"Dentro da cápsula havia uma amostra do condensado de Bose-Einstein e diversos sensores capazes de analisar uma série de efeitos sobre esse material durante a queda livre. Assim, os cientistas foram capazes de avaliar como a matéria se comporta em situações nas quais não há campo gravitacional agindo", explicou.
O condensado de Bose-Einstein, cuja existência foi prevista por Albert Einstein em 1925, a partir do trabalho de Satyendra Nath Bose, é uma fase da matéria formada por átomos em temperaturas próximas do zero absoluto, que permite a observação de efeitos quânticos em escala macroscópica.
condensado Bose-Einstein
© MIT (condensado Bose-Einstein)
"O mais interessante desse experimento não foram as medições feitas sobre o condensado, que se referiam, por exemplo, à expansão do material durante a queda, o que traz pouca informação. O principal é o fato de os autores terem conseguido reduzir um aparato tão complexo a uma escala que cabe em uma cápsula de dimensões reduzidas", destacou Barata.
A cápsula utilizada no experimento media 60 centímetros de diâmetro por 215 centímetros de comprimento. Normalmente, esse tipo de experimento requer um laboratório com lasers sofisticados, equipamentos ópticos delicados e cuidadosamente alinhados, câmaras de vácuo e sensíveis controles eletrônicos.
"Embora o experimento não envolva nenhum conceito novo, a redução para a instalação na cápsula é animadora, abrindo perspectivas para que experimentos semelhantes possam ser feitos no espaço. Até hoje o condensado de Bose-Einstein não havia sido reduzido dessa maneira", disse Barata.
O condensado de Bose-Einstein pode ser utilizado para produzir uma espécie de laser atômico que poderá substituir, no futuro, os lasers convencionais, proporcionando experimentos de precisão ainda maior.
"O experimento feito na Alemanha mostra que temos boas perspectivas para, utilizando esses aparatos, empregar a interferometria de átomos e, com ela, fazer experimentos de altíssima precisão", disse o professor titular do Departamento de Física Matemática do IF-USP.
O que falta para conseguir esses experimentos altamente precisos, segundo ele, é adaptar os instrumentos de interferometria atômica à escala utilizada no experimento feito na Alemanha. "Mas não vejo aí nenhum obstáculo tecnológico intransponível. A parte mais difícil eles já fizeram: produzir o condensado de Bose-Einstein nessa escala", afirmou.
Segundo Barata, caso se consiga realizar esse tipo de experimento no espaço, as perspectivas são promissoras. "O princípio de equivalência, por exemplo, poderá ser testado da seguinte maneira: fazendo-se a comparação, com interferômetros atômicos, entre o condensado de Bose-Einstein no espaço e em queda livre na Terra", disse.
O princípio de equivalência é considerado um dos fundamentos da Relatividade Geral: quando um objeto em um campo gravitacional é submetido a queda livre, é impossível distinguir o mesmo objeto em referência inercial, pois ele age como se estivesse no espaço, desprovido de peso.
Na órbita da Terra, com amostras atômicas ultrafrias, tais experimentos poderão ser feitos para medir com alta precisão os efeitos de "arrasto de referenciais", também previsto por Einstein. Nos experimentos espaciais poderão ser feitas também comparações entre os efeitos gravitacionais sobre átomos bosônicos e fermiônicos.
"Poderemos testar efeitos da Relatividade Geral que são bem conhecidos, mas que não foram observados adequadamente. O efeito de Lense-Thirring, por exemplo, foi previsto teoricamente e só na década de 1980 foram feitas medidas bastante limitadas sobre ele. Com esses condensados no espaço, poderão ser feitas medidas de altíssima precisão", explicou Barata.
Fonte: Agência FAPESP e Science