O vácuo pode criar matéria e antimatéria

Um feixe de laser de alta intensidade e um acelerador de partículas de dois quilômetros de extensão,  sob as condições adequadas, pode criar algo do nada.

 © CERN (energia gerada na aniquilação entre matéria e antimatéria)

Um grupo formado por Igor Sokolov e seus colegas da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos, desenvolveu novas equações que descrevem como um feixe de elétrons de alta energia, combinado com um intenso pulso de laser, pode rasgar o vácuo, liberando seus componentes fundamentais de matéria e antimatéria, e desencadear uma cascata de eventos que gera pares adicionais detectáveis de partículas e antipartículas.

Não é a primeira vez que cientistas afirmam que um super laser pode criar matéria do nada. De um nada que não é exatamente ausência de tudo, mas uma mistura fervilhante de ondas e campos de todos os tipos, onde partículas virtuais surgem e desaparecem o tempo todo.

Agora é possível calcular como, a partir de um único elétron, podem ser produzidas várias centenas de partículas. Isso deve acontecer na natureza, perto de pulsares e estrelas de nêutrons.

"É melhor dizer, acompanhando o físico teórico Paul Dirac, que um vácuo, ou um nada, é a combinação de matéria e antimatéria - partículas e antipartículas. Sua densidade é tremenda, mas não podemos perceber nada delas porque seus efeitos observáveis anulam-se completamente," disse Sokolov.

Em condições normais, matéria e antimatéria destroem-se mutuamente assim que entram em contato uma com a outra, emitindo raios gama. Mas sob um forte campo eletromagnético, este aniquilamento, que tipicamente funciona como um ralo de escoamento, pode ser a fonte de novas partículas. Na percurso da aniquilação, surgem fótons gama, que podem produzir elétrons e pósitrons adicionais.

Um fóton gama é uma partícula de luz de alta energia. Um pósitron é um anti-elétron, com as mesmas propriedades do elétron, mas com carga positiva.

Os que os cientistas calculam é que os fótons de raios gama produzirão uma reação em cadeia que poderá gerar partículas de matéria e antimatéria detectáveis.

Em um experimento, um campo de laser forte o suficiente irá gerar mais partículas do que as injetadas por meio de um acelerador de partículas.

No momento, não existe nenhum laboratório que tenha todas as condições necessárias - um super laser e um acelerador de partículas - para testar a teoria.

A questão básica do que é o vácuo transcende além da ciência, pois está incorporada na percepção filosófica da existência da vida.

Fonte: Physical Review Letters

Síncroton compacto

Um grupo internacional de cientistas acaba de construir um equipamento compacto que é capaz de produzir luz síncrotron de raios X tão intensa quanto a que é gerada por alguns dos maiores laboratórios do mundo.

 © LNLS (luz síncrotron)

Os síncrotrons são aceleradores de elétrons, onde são gerados tipos especiais de luz, que são aplicadas em nanobiologia, farmacologia, energia, microeletrônica, alimentos, materiais e até paleontologia.

O instrumento poderá tornar muito mais simples e mais barato a tarefa de analisar materiais em áreas tão diversas como medicina e engenharia aeronáutica, além de possibilitar a aplicação da técnica em áreas onde hoje ela não é acessível.

Cada nova geração de máquinas de raios X tem aberto novas fronteiras na ciência, desde as primeiras radiografias até a determinação da estrutura do DNA (ácido desoxirribonucleico).

Hoje, os grandes síncrotrons fornecem aos pesquisadores de todas as áreas fontes extremamente brilhantes de raios X, capazes de gerar imagens com resoluções cada vez maiores.

No entanto, a sua dimensão e os custos envolvidos em sua instalação resultam na existência de apenas alguns poucos síncrotrons no mundo, e a demanda para sua utilização supera largamente a oferta.

O novo síncrotron de mesa, que foi desenvolvido por cientistas da França, Portugal, Reino Unido e EUA, funciona de forma semelhante a um síncrotron normal, mas em uma escala muito menor; todo o dispositivo está alojado em uma câmara de vácuo com cerca de um metro de diâmetro. E a qualidade dos raios X gerados é excelente; focalizados em um ponto muito preciso no espaço, os raios X gerados pelo síncrotron de mesa têm pulsos extremamente curtos, formando um feixe muito estreito, como pode ser visto na imagem a seguir, que mostra um diagrama da energia dos raios X em relação à divergência.

© Nature (diagrama da energia dos raios X em relação à divergência)

Quanto maior estreito for o feixe de raios X, mais finos serão os detalhes de um material que ele conseguirá captar.

Isto não é fácil de obter, e abre a possibilidade de que a fonte portátil permita o estudo de interações atômicas e moleculares ocorrendo em escalas de femtossegundos.

As propriedades inerentes deste sistema relativamente simples geram, em alguns milímetros, um feixe de raios X de alta qualidade que rivaliza com os feixes produzidos por fontes de síncrotron com centenas de metros de comprimento.

O Brasil está com um projeto em andamento para a construção de um acelerador de elétrons de terceira geração, o síncrotron Sírius, que será construído em Campinas, no interior de São Paulo, que terá um diâmetro de 146 metros e está orçado em R$350 milhões.

Fonte: Nature Physics

Raio laser simula radiação de buracos negros

Uma equipe de cientistas italianos disparou um feixe de laser em um pedaço de vidro para criar o que eles acreditam ser um análogo óptico da radiação de Hawking, que parece ser emitida pelos buracos negros. A seguir um aparato experimental para detectar a radiação de Hawking.

©  PRL (experimento para detectar a radiação de Hawking)

Embora a potência do experimento com o laser nem se compare com os densos buracos negros, as teorias matemáticas utilizadas para descrever os dois casos são semelhantes o suficiente para que a confirmação da radiação de Hawking induzida pelo laser permita reforçar a confiança em que os buracos negros de fato emitam a radiação de Hawking.

Em 1974, Stephen Hawking previu a emissão de uma radiação pelos buracos negros, que seria produzida pela geração espontânea de fótons na fronteira desses corpos enigmáticos. Mas os cálculos indicam que ela é tão fraca que muitos físicos acreditam ser virtualmente impossível detectá-la.

Desta forma, a única maneira de testar a teoria de Hawking é fazer experimentos de laboratório que possam servir como análogos da situação real, impossível de ser observada.

Outros pesquisadores já haviam usado lasers para simular a radiação de Hawking, mas encontraram dificuldades em isolá-la de outras formas de luz emitidas durante os experimentos.

Belgiorno Franco e seus colegas idealizaram seu experimento combinando um feixe de laser ajustável com um alvo de vidro grosso, o que lhes permitiu limitar a radiação de Hawking a determinados comprimentos de onda da luz infravermelha e capturá-la com uma câmera infravermelha muito sensível.

A radiação calculada pela teoria foi de fato emitida e capturada pela câmera infravermelha, o que pode tornar o experimento uma demonstração indireta da radiação de Hawking, reforçando as atuais teorias. A seguir o diagrama mostra cinco curvas do espectro gerado por um  pulso Gaussiano (linha preta) e energias Bessel em μJ (microjoules), indicando a contagem de fotoelétrons em função do comprimento de onda.

 

©  PRL (espectros de fotoelétrons x comprimento de onda)

A existência da radiação de Hawking também coloca um limite para a vida dos buracos negros: se eles emitem radiação, por maior que seja sua massa, ela poderá se exaurir, ainda que isso leve um tempo difícil de calcular, embora alguns cientistas afirmem que é possível imaginar um buraco negro eterno.

Fonte: Physical Review Letters

O diodo quântico além do silício

Pesquisadores da Universidade do Estado de Oregon, nos Estados Unidos, construíram um novo componente eletrônico que vinha desafiando a ciência há quase 50 anos.

© Advanced Materials (diodo MIM)

Douglas Keszler e seus colegas construíram um diodo MIM (metal-isolante-metal), que poderá se tornar a base para uma nova abordagem na construção de circuitos eletrônicos.

Os circuitos eletrônicos são feitos com materiais à base de silício, usando transistores que funcionam controlando o fluxo dos elétrons.

Apesar de rápidos e relativamente baratos, esses componentes eletrônicos são limitados pela velocidade com que os elétrons podem mover-se através do silício e de outros materiais que entram em sua composição

Em contrapartida, um diodo MIM pode ser usado para executar algumas das funções dos componentes atuais, mas de uma forma fundamentalmente diferente.

A grande vantagem é que os elétrons não têm que se mover através dos materiais, eles simplesmente tunelam através do isolante, aparecendo quase que instantaneamente do outro lado.

O tunelamento quântico é um efeito quântico que permite que um elétron, ou outra partícula, atravesse diretamente uma barreira. Isso é possível porque os elétrons apresentam comportamento tanto de partícula quanto de onda.

Os cientistas utilizaram um contato metálico amorfo para resolver os problemas que até hoje impediam a realização dos diodos MIM. O material isolante é o tradicional óxido de silício (SiO2).

Até agora os cientistas vinham usando principalmente o alumínio, que produz uma superfície relativamente rugosa em nanoescala. A equipe de Keszler optou por uma liga metálica (ZrCuAlNi) que produz filmes finos extremamente lisos, que permite o controle muito mais preciso do fluxo de elétrons.

Segundo os pesquisadores, os diodos foram fabricados "a temperaturas relativamente baixas", usando técnicas que podem ser ampliadas para uso em uma grande variedade de substratos e em pastilhas de grandes dimensões.

O diodo MIM poderá ser usado com uma grande variedades de metais baratos e largamente disponíveis, como cobre, níquel ou alumínio. Ele é também muito mais simples, mais barato e mais fácil de fabricar.

Há muito tempo é procurado algo que possibilite levar além do silício. E quando esses produtos começarem a emergir, os ganhos na velocidade de operação dos circuitos será enorme.

Fonte: Advanced Materials