A radiação terahertz

Apesar de ainda pouco explorada, a radiação terahertz já fornece mostra de sua potencialidade em análises de materiais e obtenções de imagens.

© Virgilio Guidi (quadro Marinha)

Nada substitui o olho de um especialista para avaliar as particularidades de um quadro. Mas o emprego em importantes museus e instituições culturais do país de uma série de análises físicas e químicas tornou-se uma ferramenta adicional para entender o estilo e o processo criativo de certos pintores, dar parâmetros ao trabalho de conservação e restauração e trazer à tona facetas ocultas de algumas pinturas. Nesse sentido, a história do quadro Marinha, um óleo sobre madeira produzido provavelmente no início da década de 1940 pelo italiano Virgilio Guidi (1891-1984), é bastante ilustrativa. No catálogo do Museu de Arte Contemporânea da Universidade de São Paulo (MAC-USP), onde se encontra guardada, essa tela abriga, oficialmente, apenas uma pintura: uma vista do Grande Canal de Veneza, com destaque para a Igreja de San Giorgio Maggiore. No entanto, basta virar o quadro para ver, a olho nu, em seu verso o retrato de uma mulher. Imagens no infravermelho desse lado B da tela revelaram uma terceira pintura escondida sob as tintas que deram forma à figura feminina: outra cena marítima da cidade italiana.

Os raios X, raios gama, raios ultravioleta, raios infravermelhos e micro-ondas representam diferentes formas de radiação eletromagnética. A radiação infravermelha se manifesta sob a forma de calor.

No espectro eletromagnético, entre a faixa das micro-ondas e do infravermelho existe uma zona pouco explorada científica e tecnologicamente, a radiação terahertz gerada pelos raios T.

O nome vem da faixa de frequências dessa radiação, entre 0,3 e 3 THz (terahertz ou trilhões de hertz). Em termos de comprimento de onda, os raios T vão de 1.000 a 100 micrômetros.

Depois de muitas e infrutíferas tentativas de aproveitamento dos raios T, parece que agora há indícios de que teremos finalmente a exploração da última fronteira de pesquisa em eletrônica de alta frequência.

Há quase 90 anos, mais precisamente em 1923, E. F. Nichols e J. D. Tear publicaram um artigo com o sugestivo título “Unindo os espectros do infravermelho e das ondas elétricas”.

Desde então, físicos e engenheiros têm preconizado uma “nova era” para essa fronteira entre o infravermelho e a micro-onda, para logo depois se depararem com resultados pífios.

Os desenvolvimentos científicos e tecnológicos nos dois lados da fronteira têm sido notáveis, tais como os artefatos modernos: forno de micro-ondas, telefones celulares, telefones sem fio e GPS.

No lado do infravermelho, não é menos notável o desenvolvimento tecnológico, muitas vezes impulsionado por interesses militares. Entre as inúmeras aplicações civis, podemos destacar aquelas relacionadas a pesquisas em astronomia, em química e na análise de objetos de arte, sobretudo pinturas.

Enquanto a micro-onda, com frequência na faixa do gigahertz, é capaz tão somente de produzir rotações nas moléculas, a parte superior do infravermelho, com frequência maior que 10 terahertz, é capaz de produzir vibrações, resultantes de interações intermoleculares.

Já a radiação terahertz faz as duas coisas simultaneamente. A análise com raios T permite, ao mesmo tempo, a análise de materiais quanto à sua estrutura molecular, assim como a análise com micro-onda, e quanto à sua composição química, do mesmo modo que a análise com infravermelho.

Esse comportamento extremamente interessante é conhecido desde os anos 1920, mas foi necessário esperar por uma ideia bastante criativa para que feixes de raios T com alta luminosidade e grande faixa de frequências pudessem ser produzidos.

Uma ideia inovadora, originada nos laboratórios Bell, no final dos anos 1980, utilizou um laser de femtosegundos (femtosegundo é um quadrilionésimo de segundo). Quando um pulso emitido pelo laser atinge uma antena fotocondutiva, material que emite pulsos elétricos quando iluminada, também inventado pelos pesquisadores da Bell, o resultado é a emissão de pulsos com frequências entre 300 gigahertz e 10 terahertz.

Tão interessante quanto isso é o fato de que pequenas modificações técnicas na estrutura do circuito transformam uma antena emissora em receptora, dois elementos importantes para o funcionamento de um equipamento de raios T.

Seu alto poder de penetração em materiais desidratados, não-metálicos, plásticos, papéis e cartolinas e sua impenetrabilidade em materiais metálicos e líquidos polares como a água fazem da radiação T uma excelente ferramenta para obtenção de imagens, uma das aplicações mais extasiantes da atualidade.

Quando o feixe do laser atinge a antena emissora constituída de material fotocondutor, produz pulsos de raios T, os quais são modificados, em sua forma e frequência, em decorrência da interação com o material da amostra. Um sistema eletrônico convencional transforma os sinais elétricos produzidos pela antena em imagens.

Um cálculo simples mostra a eficiência desse sistema de aquisição de imagem com raios T. Antes do uso do laser de femtosegundo e das antenas fotocondutivas, seriam necessários 15 dias para a obtenção de uma imagem de 100 pixel x 100 pixel com raios T. Com o sistema desenvolvido pelo pessoal da Bell é possível analisar 100 pixels por segundo, de modo que a imagem de 100x100 é obtida em pouco mais de 1 minuto.

Muitos dos resultados de aplicações analíticas da radiação T são similares àqueles obtidos com o infravermelho. Já nas aplicações com imagens, além das duas formas de radiações eletromagnéticas, os raios X aliam-se na concorrência.

Os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, mostraram como os raios T podem ser utilizados, de modo não destrutivo, para determinar espessuras de camadas de tinta abaixo de uma pintura, algo impossível com o uso de raios X ou infravermelho.

Ao contrário dos raios X, os raios T não ionizam o material analisado e, ao contrário do infravermelho, não o aquece por causa da baixíssima intensidade necessária para a realização das análises.

Apesar de todas as vantagens apontadas até aqui, ainda há uma séria limitação a ser superada nos atuais equipamentos: a baixa resolução espacial. A resolução espacial dos equipamentos atuais está na faixa do milímetro, ou seja, objetos na escala micrométrica não são bem identificados.

Aumentar a resolução espacial dos equipamentos de raios T é, portanto, um efervescente desafio de pesquisa, que poderá fazer com que a radiação terahertz seja digna dos sonhos dos pesquisadores da área.

Recentemente, Godfrey Gumbs e seus colegas da Universidade Cidade de Nova Iorque idealizaram um dispositivo que permite converter uma corrente contínua, como a armazenada em baterias, em uma fonte ajustável de radiação terahertz.

O dispositivo é baseado nos plásmons de superfície, ondas de elétrons que se formam na superfície dos metais. Foi idealizado um semicondutor híbrido: uma camada mais grossa de um material eletricamente condutor envolvida por duas camadas muito finas, que podem ser de grafeno, siliceno, ou mesmo de um gás.

Quando a corrente contínua passa através desse sanduíche, ela cria uma ressonância plasmônica com um comprimento de onda muito específico, que induz a emissão da radiação terahertz, que pode então ser "coletada" por uma antena em forma de grade.

Ajustando os vários parâmetros, como a densidade do semicondutor híbrido ou da corrente contínua aplicada, é possível ajustar o comprimento de onda, ou seja, a frequência da radiação terahertz produzida.

"Nossa abordagem baseada em semicondutores híbridos pode ser generalizada para incluir outros materiais bidimensionais emergentes, tais como o nitreto de boro hexagonal, a molibdenita e o disseleneto de tungstênio," disse o professor Andrii Iurov, coordenador da equipe.

Um artigo intitulado “Tunable surface plasmon instability leading to emission of radiation”, que descreve a converção de uma corrente contínua em uma fonte ajustável de radiação terahertz, foi publicado no Journal of Applied Physics.

Fonte: Ciência Hoje e Pesquisa FAPESP

Vórtices magnéticos armazenam informações

Físicos conseguiram amarrar e desamarrar vórtices magnéticos microscópicos que podem resultar em uma memória de computador mais eficiente.

© U. hamburgo (vórtices torcidos na magnetização de um metal)

Esses vórtices torcidos (redemoinhos), conhecidos como skyrmions, são agrupamentos de átomos em que cada átomo age como uma barra magnética devido a uma propriedade quântica de seus elétrons, chamados spins. Um campo magnético externo normalmente tenderia a alinhar todos os átomos de uma barra magnética na mesma direção; mas no caso de um skyrmion a magnetização desses átomos está disposta em forma de um vórtice torcido.
Um skyrmion resiste a ser “desenrolado”, ou desfeito, porque, embora perturbações magnéticas possam alterar a disposição dos spins atômicos, elas não desfazem a torção.
Essa propriedade, chamada de estabilidade topológica, é compartilhada por objetos geométricos, como a fita de Möbius, uma forma que pode ser obtida juntando-se as duas extremidades de uma fita com uma meia torção no meio. Essa meia torção é “estável”, porque pode ser movida para lá e para cá, mas não pode ser desfeita, exceto se a fita for cortada, desenrolada e colada novamente.
A estabilidade topológica é atraente para os cientistas que procuram aprimorar os meios para transportar informações, diz Kristen von Bergmann, uma física da Universidade de Hamburgo, na Alemanha.
Os meios de armazenamento magnético convencionais, como a superfície de um disco rígido, contêm informações em forma de bits digitais, valores assinalados por “0” ou “1” que são representados pela magnetização dos átomos, por exemplo, com seu polo magnético Norte apontando para cima ou para baixo.
Mas quando eles são muito densamente carregados ou superaquecidos, essas magnetizações se tornam facilmente instáveis e ficam embaralhadas.
Um skyrmion oferece a possibilidade de armazenar informações de forma estável para que possam ser lidas novamente como um “0” ou um “1”, dependendo de se o nó magnético existe ou não. Para que isso funcione, porém, os cientistas precisam criar ou apagar skyrmions magnéticos conforme necessário. 
Embora a existência de skyrmions já tivesse sido prevista na década de 1960 pelo físico britânico Tony Skyrme, e desde então tenha sido demonstrada em materiais magnéticos, os pesquisadores não foram capazes de criar e apagá-los à vontade em um material magnético, até agora.
Escrevendo na revista Science, von Bergmann e seus colaboradores descrevem como criaram skyrmions em um fino filme magnético de paládio e ferro em um cristal de irídio.
Eles começaram com uma amostra em que todos os átomos dos ímãs em barra estavam alinhados.
Em seguida, a equipe usou a ponta de um microscópio de varredura por tunelamento (STM, na sigla em inglês) para aplicar uma pequena corrente de elétrons que tinham seus spins alinhados, ou polarizados, de um modo particular.
A corrente polarizada interagiu com os átomos dos ímãs em barra para torcê-los em configurações de skyrmions semelhantes a nós; cada um de apenas alguns nanômetros, ou cerca de 300 átomos de diâmetro, explica von Bergmann. Os cientistas também conseguiram usar a corrente polarizada para eliminar o nó, apagando o skyrmion.
Teoricamente, um dispositivo skyrmiônico poderia armazenar 20 vezes mais dados por unidade de superfície que os atuais discos rígidos, diz von Bergmann, mas adverte que a tecnologia ainda está muito longe de aplicações práticas.
A equipe conseguiu criar e apagar um total de quatro skyrmions de cada vez, mas a técnica só funcionou em cerca de 60% das tentativas, “o que é muito pouco para a tecnologia de dados”, observa von Bergmann.
Além disso, os pesquisadores só conseguiram controlar os skyrmions a 4,2 graus Kelvin, a temperatura do hélio líquido, o que não é uma temperatura de funcionamento prático para dispositivos eletrônicos.
Ainda assim, essa foi a primeira vez que cientistas criaram e apagaram skyrmions magnéticos individuais, diz Stefan Blügel, um físico de estados sólidos do Centro de Pesquisas Jülich, na Alemanha, acrescentando: “Com esse experimento poderemos criar skyrmions onde e quando os quisermos o que significa que poderemos imprimir um 1 ou um 0 de forma controlada”.
O mecanismo exato com que a corrente de spins torce e destorce o skyrmion continua um mistério, diz von Bergmann. Decifrá-lo exigirá novos experimentos e mais modelos teóricos.

Fonte: Nature

Nanografeno: a nova forma de caborno

Químicos da Boston College (EUA) e da Universidade de Nagoya (Japão) sintetizaram o uma nova forma de carbono.

© Nature Chemistry (nanografeno)

O novo material (C₈₀H₃₀) é composto por várias peças idênticas de grafeno grosseiramente deformado, cada um contendo exatamente 80 átomos de carbono unidos entre si numa rede de 26 anéis, com 30 átomos de hidrogênio na borda. Como medem pouco mais de um nanômetro de diâmetro, estas moléculas individuais são chamadas genericamente de "nanocarbonos", ou mais especificamente, neste caso, como "nanografenos grosseiramente deformados".

Até recentemente, os cientistas tinham identificado apenas duas formas de carbono puro: diamante e grafite. Em 1985, os químicos ficaram surpresos com a descoberta de que os átomos de carbono também pode se juntam para formar bolas ocas, conhecidas como fulerenos. Desde então, os cientistas desenvolveram tubos longos e extremamente finos de átomos de carbono, conhecidos como os nanotubos de carbono, e grandes folhas soltas planas de átomos de carbono, conhecidos como grafeno. A descoberta dos fulerenos foi agraciada com o Prêmio Nobel de Química em 1996, e a sintetização do grafeno foi agraciada com o Prêmio Nobel de Física em 2010.

O aspecto contorcido dessas moléculas altera as propriedades físicas, ópticas e eletrônicas do nanocarbono, o que o define como um novo material. Por exemplo, as moléculas de nanografeno são mais solúveis do que o grafeno.

"E os dois diferem significativamente na cor também. Medições eletroquímicas revelaram que os nanografenos planares e contorcidos são igualmente oxidáveis, mas o nanografeno contorcido é muito mais difícil de reduzir," disse o Dr. Lawrence Scott, membro da equipe que descobriu a nova forma de carbono.

Este novo material tem tudo para ampliar ainda mais as potencialidades do grafeno, pois as propriedades eletrônicas e ópticas das folhas planas de carbono podem ser modificadas de maneira previsível através da síntese química.

Se for possível controlar o grau de distorção das folhas de grafeno variando o número de anéis na molécula, isso permitirá o desenvolvimento de segmentos de grafeno com propriedades precisamente controladas, o que seria muito útil para a fabricação de componentes optoeletrônicos.

Fonte: Nature Chemistry

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

Novo transístor altera estado da matéria

Logo depois do surgimento do promissor transístor a vácuo, agora acaba de ser inventado um novo tipo de transístor que permite realizar mudanças no estado da matéria usando correntes elétricas.

© RIKEN (esquema do transístor de Mott)

Cientistas do laboratório RIKEN, no Japão, criaram um componente que usa a acumulação eletrostática de cargas sobre a superfície de um material para desencadear uma alteração do seu estado físico.

O material muda completamente, passando de isolante para metálico. E não se trata apenas de uma transição de estados eletrônicos, o material sofre uma mudança em sua estrutura cristalina.

O novo componente já era previsto teoricamente e vinha sendo buscado avidamente pelos cientistas pelo seu potencial de dar maior velocidade e diminuir o consumo de energia dos circuitos eletrônicos.

Ele é chamado de transístor de Mott porque se baseia em um material chamado isolador de Mott, em homenagem ao físico britânico Neville Mott, um tipo de material que pode passar de condutor elétrico a isolante mediante um rearranjo de seus elétrons.

Inúmeros pesquisadores tentaram construir esses transistores inovadores antes, mas nunca ninguém havia conseguido produzir as correntes necessárias para forçar a transição de fase do isolante de Mott.

Masaki Nakano e seus colegas resolveram o problema adicionando uma gota de líquido iônico sobre o isolante de Mott, utilizaram dióxido de vanádio.

Quando uma pequena tensão foi aplicada ao líquido iônico, isto gerou um enorme campo elétrico na superfície do isolante de Mott, induzindo-o a mudar de estado. A transição de fase não aconteceu apenas na superfície do material, mas em todo o seu volume, literalmente transformando todo o bloco de dióxido de vanádio de isolante em metálico e vice-versa.

Embora esse fenômeno de mudança de fase não seja totalmente compreendido, os pesquisadores japoneses descobriram que não se trata apenas de uma mudança de fase eletrônica.

Usando radiação síncrotron, eles verificaram que o dióxido de vanádio sofre uma mudança na sua estrutura cristalina, passando de uma rede monoclínica para uma tetragonal.

O funcionamento de um transistor pode ser entendido como uma chave, na qual a tensão aplicada a um dos seus eletrodos controla o nível de corrente que flui pelos outros dois eletrodos; a aplicação da tensão naquele primeiro eletrodo liga e desliga a corrente que passa pelos outros dois.

A eficiência do transístor é medida pela comparação entre a corrente que ele deixa passar no estado ligado e a corrente que flui indesejadamente no estado desligado.

Um transístor de mudança de fase pode ser muito mais eficiente do que os transístores atuais, nos quais ocorre apenas uma alteração momentânea na resistência elétrica do material semicondutor, na medida que ele será melhor na fase de condução elétrica por ser um metal, e mais radical na fase de retenção da corrente, por ser um isolante.

Essa descoberta, e a imediata exploração do efeito em um transístor, leva o componente eletrônico sexagenário a uma nova fase da vida, com um horizonte de aplicações ainda mais amplo, além do aumento da eficiência nas aplicações já conhecidas.

E, se o efeito pode ser usado para mudar a fase de um material de isolante para metálico, a descoberta abre novas possibilidades de controlar o estado da matéria de outros materiais.

Fonte: Nature

O primeiro circuito integrado químico

Cientistas suecos criaram o primeiro circuito integrado químico.

© Journal of the American Chemical Society (transístor químico)

O chip é capaz de fazer cálculos e operações lógicas como um circuito integrado eletrônico comum.

A diferença crucial é que, em vez de eletricidade, o circuito usa compostos químicos circulando através de canais iônicos, similares aos existentes nos seres vivos.

O chip químico é uma decorrência natural de um trabalho divulgado em 2010, quando Klas Tybrandt e seus colegas criaram um transístor iônico, cujo funcionamento depende não de uma corrente de elétrons, mas de um fluxo de íons. Os transistores iônicos transportam tanto íons positivos quanto negativos, assim como biomoléculas.

Nesses últimos dois anos, os pesquisadores trabalharam na combinação dos transistores iônicos negativos e positivos, criando circuitos complementares e portas lógicas similares à organização dos transistores de silício nos chips eletrônicos.

A similaridade com os processadores eletrônicos é praticamente total: o circuito integrado químico baseia sua lógica em transistores de junção iônicos bipolares, que permitem a montagem de inversores e portas lógicas NAND de tipo np (negativo-positivo) e pn (positivo-negativo).

O consumo de energia é baixo e o circuito é totalmente funcional nas condições de altas concentrações salinas típicas dos seres vivos.

Mas a grande vantagem de um processador químico é que ele poderá controlar diretamente as sinalizações celulares, abrindo o caminho para a conexão de circuitos eletrônicos diretamente a seres vivos.

E não apenas a aplicação de fármacos, mas o roteamento e liberação de padrões complexos de moléculas, de fato controlando o comportamento dos "circuitos fisiológicos".

Embora ainda esteja nos estágios iniciais de desenvolvimento, o processador químico terá potencial para mudar totalmente a forma como são controladas as próteses e os implantes médicos, abrindo possibilidades inteiramente novas para os campos da biônica e da biomecatrônica.

Onde hoje existe um circuito eletrônico para disparar uma corrente elétrica e acionar um nervo, por exemplo, poderá haver a saída de um transístor químico, por onde poderão sair substâncias químicas específicas, os íons, de acordo com a função que se deseja ativar nas células vivas.

"Nós poderemos, por exemplo, enviar sinais para as sinapses, em pontos onde o sistema de sinalização não esteja mais funcionando por alguma razão," disse Magnus Berggren, que coordenou o desenvolvimento do chip químico.

Antes disso, nos próprios laboratórios, os cientistas poderão estabelecer condições onde os experimentos terão níveis de controle que não são possíveis hoje, por exemplo, testando a aplicação de um quimioterápico e, simultaneamente, fármacos adicionais que limitem seus efeitos colaterais.

Os testes iniciais do chip químico, a exemplo do que já ocorrera com os transistores iônicos, foram feitos usando o neurotransmissor acetilcolina.

O chip químico é capaz de controlar a liberação da acetilcolina, por sua vez controlando células musculares, que são ativadas quando entram em contato com a substância.

O próximo passo da pesquisa será construir todas as portas lógicas químicas, de forma a montar um processador químico completo.

Como seu funcionamento deverá ser similar ao dos processadores eletrônicos, sua fabricação e adoção deverá ser muito mais rápida do que os chamados "processadores biológicos".

Fonte: Nature Communications

Transmissão de mensagem através de neutrinos

Os neutrinos talvez não sejam mais rápidos do que a luz, mas podem se tornar as estrelas de uma nova forma de comunicação.

© Fermilab (antena de transmissão)

Cientistas do Projeto Minerva demonstraram na prática que é possível transmitir uma mensagem usando neutrinos.

E como neutrinos são capazes de atravessar virtualmente qualquer coisa, isto significa que as mensagens podem ser enviadas diretamente através da Terra.

Neste experimento pioneiro, a palavra "neutrino" foi transmitida a uma distância de 1 km, incluindo 210 metros de rocha sólida.

A esfericidade da Terra exige múltiplas torres de repetição para a transmissão de dados por ondas eletromagnéticas.

Se remetente e destinatário estiverem longe o suficiente, a solução mais viável é transmitir a mensagem para um satélite artificial, que está no alto para captar os dois e servir de ponte para a comunicação.

Uma alternativa é ligar todos os pontos por redes de fibras ópticas.

Mas uma mensagem de neutrinos pode ser enviada diretamente, simplesmente mirando na posição do destinatário e disparando o feixe, não importando se há montanhas, oceanos, ou mesmo se o destinatário está do outro lado da Terra.

Neutrinos são partículas eletricamente neutras e quase sem massa - sua massa é tão desprezível que um neutrino é capaz de atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com um só átomo.

Isso, obviamente, impõe um desafio para uma futura comunicação por neutrinos: construir uma antena capaz de detectá-los.

Felizmente os físicos vêm fazendo isso há anos, para criar os observatórios que permitam estudá-los.

Ainda são detectores muito sensíveis, que precisam ser instalados em compartimentos subterrâneos, capazes de isolá-los de outros tipos de radiação.

© Fermilab (detector Minerva)

Neste experimento, os cientistas usaram como antena de recepção o detector Minerva, que pesa nada menos do que 170 toneladas. O transmissor foi o feixe de neutrinos NUMI (Neutrinos Main Injector).

Ambos são parte do acelerador de partículas Fermilab, nos Estados Unidos.

Embora pareça interessante, dificilmente as mensagens por neutrinos terão uso prático: a velocidade atingida na transmissão foi de 0,1 bit por segundo.

Ou seja, levou mais de duas horas para que a palavra "neutrino" fosse transmitida.

A mensagem foi codificada de forma binária, onde transmitir neutrinos significava 1, e não transmitir neutrinos significava 0.

Embora o feixe de transmissão dispare trilhões de neutrinos de cada vez, o detector só raramente consegue detectá-los.

A palavra neutrino consistia de 25 pulsos, separados entre eles por um período sem transmissão de 2 segundos. Isso foi repetido 3.500 vezes ao longo de 142 minutos.

Em média, a "antena" detectou 0,81 neutrino a cada pulso, com uma taxa de erro de 1% - apenas 1 em cada 10 bilhões de neutrinos foi detectado.

Fonte: Fermilab e Inovação Tecnológica

Um diodo emissor de luz eficiente

Físicos conseguiram demonstrar na prática, pela primeira vez, que um semicondutor pode emitir mais energia do que consome.

© APS (diodo emissor de luz)

O semicondutor é um diodo emissor de luz (LED) que absorve energia na forma de eletricidade e a emite na forma de luz.

Os cálculos teóricos que indicavam que isso era possível foram feitos há décadas.

A energia absorvida por um elétron que viaja através de um LED é igual à sua carga vezes a tensão aplicada, que causou seu movimento.

Mas se esse elétron ocasionar a emissão de um fóton, ou seja, se ele produzir luz, a energia do fóton emitido depende da chamada bandgap - a diferença de energia entre os elétrons da camada de condução e da camada de valência - que pode ser muito maior.

Ou seja, potencialmente a energia gerada pode ser maior do que a energia consumida. Mas ninguém nunca havia visto isto acontecer na prática.

Como, na maior parte dos casos, a grande maioria dos elétrons não produz fótons, o rendimento médio, em termos da luz emitida por um LED, fica abaixo da potência elétrica consumida.

Parthiban Santhanam e seus colegas do MIT (Massachusetts Institute of Technology) conseguiram produzir o efeito previsto pela teoria, ainda que, em seu LED, menos de 1 em cada 1.000 elétrons produza efetivamente um fóton.

Eles criaram um LED com uma bandgap muito estreita, e aplicaram uma tensão tão pequena que o componente funciona como se fosse um resistor.

A partir daí, eles começaram a cortar a tensão pela metade, reduzindo a potência elétrica por um fator de 4.

Mas o número de elétrons caiu apenas por um fator de 2, e consequentemente a potência da luz emitida.

Ao chegar a uma potência elétrica de entrada de 30 picowatts, os pesquisadores detectaram cerca de 70 picowatts de luz emitida.

Essa energia extra vem das vibrações da rede atômica do material, induzidas pelo calor ambiente; logo, o LED se resfria ligeiramente, como acontece nos trocadores de calor termoelétricos.

O experimento fornece luz insuficiente para a maioria das aplicações práticas. Contudo, ele demonstra que aquecer os diodos emissores de luz aumenta sua potência de saída e sua eficiência.

Isso significa que eles podem se comportar como motores de calor termodinâmicos, mas provavelmente não nas altas velocidades de chaveamento que eles alcançam nos aparelhos eletrônicos modernos.

Fonte: Physical Review Letters

Ondas de rádio torcidas em múltiplos canais

Um grupo de pesquisadores italianos e suecos parece ter resolvido o problema do congestionamento dos canais de transmissão de dados via rádio ou transmissões wireless.

© Revista Física (ondas eletromagnéticas torcidas)

Celulares, internet sem fio e TVs digitais estão provocando um esgotamento rápido do número de frequência de rádio disponíveis para transmitir informações, embora a adoção da era digital esteja longe de atingir seu potencial.

A saída pode ser trançar as ondas de rádio, girando-as em seu próprio eixo, até que elas assumam o formato da rosca de um parafuso.

Uma onda pode ser girada ao redor de seu eixo um certo número de vezes, tanto no sentido horário quanto anti-horário, o que permite montar inúmeras configurações de ondas diferentes, que podem compartilhar a mesma banda de transmissão, ou a mesma frequência.

Agora, Fabrizio Tamburini e seus colegas das universidades de Pádua (Itália) e Uppsala (Suécia) demonstraram que isso também é possível de se fazer na prática com as ondas de rádio.

As ondas de rádio torcidas permitem que um número praticamente infinito de canais possa ser transmitido e recebido em uma mesma área. O mecanismo funciona para rádio, TV e WiFi.

Para demonstrar a técnica, a equipe transmitiu ondas de rádio torcidas, na banda de 2,4 GHz, por uma distância de 442 metros, entre uma casa na Ilha de São Jorge e um prédio na região continental de Veneza, na Itália.

Os dois canais inseridos na transmissão foram detectados e separados perfeitamente.

"É possível usar a multiplexação, como na TV digital, em cada um dos feixes, para implementar ainda mais canais nos mesmos estados, o que significa que se pode obter 55 canais na mesma banda de frequência," disse Tamburini.

A descoberta tem efeitos também na astrofísica.

Os buracos negros, por exemplo, estão girando constantemente. Conforme as ondas passam por eles, elas são forçadas a girar, alinhando-se com o buraco negro.

De posse dos novos cálculos, os astrofísicos poderão tirar mais informações da luz captada, em diversos comprimentos de onda, vinda desses e de outros corpos celestes.

"Nós descobrimos que isso cria um novo efeito relativístico que estampa um momento angular orbital nessa luz," afirma o grupo, em um outro artigo que estabelece os fundamentos teóricos da descoberta.

Fonte: New Journal of Physics e Nature Physics

Vórtices magnéticos viram bits gravados eletricamente

Há cerca de três anos, cientistas alemães descobriram uma estrutura magnética totalmente nova em um cristal de silício e manganês - uma rede ordenada de redemoinhos magnéticos.

© Nature (skyrmions formando uma rede regular num cristal)

Esses redemoinhos foram batizados de skyrmions pelo professor Christian Pfleiderer, da Universidade Técnica de Munique, em homenagem a Tony Skyrme, um físico teórico britânico que previu sua existência cinquenta anos antes.

A verificação experimental do fenômeno foi um impulso para a área da spintrônica, componentes nanoelétricos que utilizam não apenas a carga dos elétrons para processar informações, mas também seu momento magnético, mais conhecido como spin.

Entusiasmados com a então recente concessão do Prêmio Nobel de Física de 2007 a Peter Grünberg e Albert Fert pela descoberta de um mecanismo que permitiu a leitura mais rápida de dados armazenados magneticamente nos discos rígidos, os cientistas logo pensaram em usar esses cristais de vórtices magnéticos para armazenar dados.

No campo do armazenamento de dados, as pesquisas hoje se concentram em descobrir como os dados magnéticos podem ser escritos diretamente nos materiais usando apenas a corrente elétrica.

A vantagem dos skyrmions é que eles podem ser controlados com uma corrente 100.000 vezes menor do que a necessária para controlar outras nanoestruturas.

E, enquanto o bit magnético de um disco rígido moderno possui cerca de um milhão de átomos, os cientistas já demonstraram skyrmions com apenas 15 átomos.

Agora, a equipe alemã desenvolveu uma técnica que permite que os skyrmions sejam movidos e medidos de uma forma inteiramente eletrônica.

"Quando os redemoinhos elétricos movem-se em um material, eles geram um campo elétrico," explica o Dr. Pfleiderer. "E isto é algo que nós podemos medir diretamente com equipamentos eletrônicos disponíveis em nosso laboratório."

Hoje, na cabeça de leitura e escrita de um disco rígido, uma corrente elétrica é usada para gerar um campo magnético, a fim de magnetizar uma área do disco e, assim, registrar um bit de dados.

Os skyrmions, ao contrário, podem ser movidos diretamente, e com uma corrente muitíssimo menor.

"Isto deverá tornar a gravação e o processamento de dados muito mais compacto e energeticamente eficiente," diz o pesquisador.

Contudo, ainda há desafios a vencer: tudo está funcionando no laboratório em temperaturas criogênicas, incompatíveis com equipamentos funcionando à temperatura ambiente.

Fonte: Nature Physics

Criado o menor transístor atômico

Cientistas australianos criaram um transístor atômico, totalmente funcional, e fabricado com uma precisão inédita.

© Nature (potencial em função da posição dos eletrodos dopados)

O transístor miniaturizado consiste em um único átomo de fósforo colocado sobre um cristal de silício com poucos átomos de largura.

Nas extremidades da pastilha de silício são colocados os eletrodos e a porta de controle, tudo em escala atômica.

Todo o conjunto estando em escala atômica significa que o novo componente é tão importante para a computação quântica quanto para a computação eletrônica tradicional.

Já foram criados diversos tipos de transistores atômicos antes, mas todos dependiam de uma certa dose de acaso durante os experimentos, já que a manipulação de átomos individuais é muito difícil. Isso significa que, nos experimentos anteriores, os cientistas tinham que construir inúmeros dispositivos, até encontrar um que funcionasse.

"Mas esse componente é perfeito," garante a Dra. Michelle Simmons, da Universidade de Nova Gales do Sul, na Austrália. "Esta é a primeira vez que se demonstrou o controle de um átomo individual sobre um substrato com esse nível de precisão.

Depois que o transístor fica pronto, sob o microscópio eletrônico, "é possível ver até as minúsculas marcas escavadas na sua superfície," garante o Dr. Martin Fuechsle, coautor do trabalho.

É nessas saliências que os eletrodos são colocados, para que a tensão seja fornecida e o transístor funcione. Estas estruturas são fabricadas por uma espécie de litografia, a técnica padrão usada pela indústria eletrônica.

O grupo provou que é realmente possível posicionar um átomo de fósforo num ambiente de silício juntamente com as portas de controle.

O transístor atômico apresentou características eletrônicas que confirmam uma previsão surpreendente, de que a Lei de Ohm funciona em escala atômica.

Se o atual ritmo de miniaturização se mantiver, os transistores deverão atingir a escala atômica por volta de 2020.

Enquanto os chips mais modernos no mercado possuem transistores de 32 nanômetros, o átomo de fósforo usado neste transístor atômico mede 0,1 nanômetro.

Embora o protótipo de um transístor atômico agora já esteja pronto, sua construção depende de aparatos como o microscópio de força atômica, o que significa que a técnica ainda não é totalmente adequada para a fabricação de componentes eletrônicos em larga escala. E, para funcionar, ele deve ser mantido a uma temperatura de -196 ºC.

Mas talvez esta seja uma das primeiras demonstrações de uma das grandes promessas da nanotecnologia, a de que é possível manipular átomos para construir dispositivos úteis.

O transístor atômico também pode representar a fronteira final da eletrônica como a conhecemos, a partir de onde já se entra no reino da spintrônica e da computação quântica.

Fonte: Nature Nanotechnology

Discos rígidos podem ser gravados com calor

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

© Universidade de York (gravando dados com calor)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Efeito deixa átomo de ferro transparente

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

© DESY (princípio da transparência induzida eletromagneticamente)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Menor unidade de armazenamento magnético

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Como é que um ímã se comporta nesta fronteira?

Fonte: Science

Transístor quântico diminui consumo de energia

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

© IBM (ilustração de um transístor quântico com nanotubos)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Fonte: Nature

Sonho de Einstein vira realidade

Uma equipe de pesquisadores europeus conseguiu pela primeira vez estabilizar um estado quântico de forma constante.

© CNRS (emissões de fótons)

Este foi um sonho várias vezes manifestado por Albert Einstein, que afirmava que se contentaria em observar um fóton preso por um segundo - Einstein não se dava muito bem com as predições pouco usuais da mecânica quântica, que ele nunca aceitou por completo.

Clément Sayrin e seus colegas do Laboratório Kastler Brossel, na França, fizeram bem mais do que isso: eles mantiveram um número constante de fótons aprisionados dentro de uma cavidade de micro-ondas "de forma permanente".

Essa caixa de fótons é uma cavidade de ressonância formada por dois espelhos supercondutores, onde os fótons ficam presos de forma contínua, sem precisar que eles sejam continuamente transferidos de uma armadilha para outra.

Normalmente um fóton, a unidade básica da luz, somente pode ser observado quando ele desaparece.

Por exemplo, quando atinge as células fotorreceptoras do nosso olho, o fóton deixa de existir e sua "informação" é traduzida na forma de um impulso elétrico que nos dá consciência de sua finada existência.

Seu aprisionamento ou estabilização permite que eles sejam estudados de forma direta, eventualmente sem serem afetados, algo que passou a ser cogitado há pouco tempo com a chamada "medição fraca".

Fótons e outras partículas subatômicas obedecem às regras da mecânica quântica, um tanto esquisita em relação à mecânica clássica. Mas deve haver uma fronteira entre as duas, um momento de transição onde as duas atuam de uma maneira ainda não compreendida.

Para estudar essa transição, os cientistas precisam parar, ou estabilizar, as partículas quânticas.

Além do entendimento do funcionamento básico da natureza, esses experimentos têm ligação direta com a computação quântica e com a spintrônica, duas abordagens que surgem no horizonte como sucessoras da atual era da informática eletrônica.

Fonte: Nature

Internet mais rápida movida com grafeno

Uma colaboração entre cientistas das universidades de Manchester e de Cambridge, no Reino Unido, resultou na descoberta de um método que poderá levar à melhoria das características de dispositivos à base de grafeno para uso em fotodetectores em sistemas ópticos de comunicação em alta velocidade.

© The University of Manchester (grafeno)

Os pesquisadores Andre Geim e Konstantin Novoselov, da Universidade de Manchester, que ganharam o prêmio Nobel de Física de 2010 por pesquisas com o grafeno, fazem parte do novo estudo.

O grafeno é formado por uma camada única de carbono, agrupada em uma grade em colmeia e na qual os átomos mantêm entre eles uma distância específica. Por meio da combinação de grafeno com nanoestruturas metálicas, os cientistas conseguiram uma melhoria de 20 vezes na transmissão de luz.

Ao colocarem essas estruturas metálicas, na forma de fios, em cima do grafeno e iluminar a estrutura, os cientistas observaram que o resultado era a geração de energia. O dispositivo funciona como uma célula solar básica.

O mais importante resultado da pesquisa é que o dispositivo apresentou potencial de transmitir dados em taxas de transferência muito mais rápidas – dezenas ou centenas de vezes – do que os mais rápidos cabos de internet disponíveis na atualidade. O motivo é a natureza única dos elétrons no grafeno, incluindo a alta mobilidade e velocidade.

A pesquisa resolve um grande problema do grafeno até então, que era a baixa eficiência. O grafeno absorve pouca luz, cerca de 3%, sendo que o resto é dissipado sem que contribua para a geração de eletricidade.

A combinação com as estruturas metálicas, chamadas de nanoestruturas plasmônicas, ampliou essa eficiência em 20 vezes nos testes feitos nos laboratórios britânicos, sem sacrificar a velocidade de transferência. Segundo os autores do estudo, no futuro a eficiência deverá aumentar muito mais.

Fonte: Nature Communications

Primeiro circuito integrado de grafeno

Cientistas da IBM apresentaram o primeiro circuito integrado feito com componentes de grafeno.

© Science (transístor de grafeno e um par de bobinas)

Embora muito simples, a demonstração é um passo importante na transição do grafeno da categoria de material promissor para material útil.

Em 2009, um grupo do MIT havia construído um chip de grafeno, bastante rudimentar, mas mostrando que seria possível utilizar as folhas de carbono com apenas um átomo de espessura em conjunto com componentes da eletrônica tradicional.

Em 2010, um outro grupo da própria IBM construiu um transístor de grafeno que bateu o recorde mundial de velocidade, operando a 300 GHz.

Agora, Phaedon Avouris e seus colegas construíram um circuito integrado de verdade, usando equipamentos industriais e componentes de grafeno.

O circuito consiste de um único transístor de grafeno com um par de indutores integrados em uma pastilha de carbeto de silício (SiC).

O maior avanço desse pequeno circuito está no desenvolvimento de uma técnica para fixar o grafeno no silício, já que vinha sendo difícil convencê-lo a aderir nos metais ou nos óxidos usados pela indústria eletrônica.

Avouris e seus colegas tiveram uma ideia genial: em vez de fabricar o grafeno e depois fixá-lo sobre o silício, eles pegaram o carbeto de silício, que é formado de silício e carbono, e retiraram o silício da camada superficial, deixando apenas os átomos de carbono, que formaram o grafeno.

A litografia fez o resto, desenhando o transístor no grafeno que já nasceu fixado no silício.

Os indutores (bobinas) foram construídos de alumínio diretamente sobre a pastilha. Uma camada de 120 nanômetros de dióxido de silício, depositado por evaporação, isola as voltas das bobinas do restante do circuito.

© Science (circuito funciona como um misturador de frequências)

O circuito funciona como um misturador de frequências, operando a 10 GHz. Misturadores de frequência são utilizados em sistema de comunicação por rádio como, por exemplo, nas redes de comunicações sem fios.

O próximo passo da pesquisa será otimizar o transístor, para que ele opere em velocidades mais altas, e projetar circuitos mais complexos.

É grande a expectativa na indústria para a construção de circuitos híbridos, incluindo componentes feitos com os semicondutores tradicionais e componentes feitos com grafeno.

Fonte: Science

Grafeno na spintrônica

Filme de carbono com apenas um átomo de espessura e dotado de uma estrutura hexagonal, o grafeno é uma das esperanças para o desenvolvimento de uma nova eletrônica, a spintrônica, que poderá levar ao surgimento de computadores quânticos, ainda menores e mais rápidos.

© Universidade de Manchester (folhas de grafeno)

Nesse novo mundo, a informação magnética não seria transmitida apenas pela corrente elétrica, como ocorre nos micros atuais, mas fundamentalmente por outra propriedade dos elétrons, por seu spin. Como só existem dois valores possíveis para o spin, esse estado do elétron pode ser útil para armazenar e propagar dados na forma de bits. Mas o sinal gerado pela corrente de spin é extremamente fraco e tende a se propagar em todas as direções, duas características que dificultam seu controle e detecção. De acordo com um trabalho recente de físicos teóricos brasileiros, esses empecilhos são aparentemente contornáveis no grafeno, um candidato a tomar o lugar do silício nos circuitos integrados do futuro: o spin de seus elétrons pode ser amplificado e controlado por meio de um mecanismo que funciona como uma lente, criando a possibilidade de o material ser usado como um nanotransistor quântico.
“Provamos matematicamente que o grafeno pode atuar como uma lente e redirecionar a corrente de spin de uma fonte magnética para uma determinada região onde se encontra uma unidade receptora”, diz o físico brasileiro Mauro Ferreira, do Trinity College, de Dublin, que participou do estudo, publicado na edição de maio do Journal of Physics: Condensed Matter, ao lado de colegas da Universidade Federal Fluminense (UFF). “Dessa forma, uma parte da informação que seria perdida pode ser resgatada.” Nada disso ainda foi feito em laboratório, apenas esboçado em trabalhos teóricos. Depois de uma série de cálculos, os pesquisadores afirmam que o grafeno, um material mais resistente do que o aço e melhor condutor de eletricidade do que o cobre, pode se comportar como um transistor de spin se exposto a certas condições. O artigo é o terceiro do grupo de físicos a explorar teoricamente as possibilidades do uso de nanotubos de carbono e do grafeno na spintrônica. Os dois estudos anteriores saíram no ano passado na Physical Review B.
Para transformar o spin do grafeno num meio capaz de transmitir informação num sistema quântico, os brasileiros trabalharam com um cenário bastante particular. A criação de uma corrente de spin foi simulada por meio da inserção de um objeto magnético na arquitetura atômica em forma de colmeia do grafeno, composta apenas por carbonos. “Imagine um pequeno ímã em movimento rotatório numa folha de grafeno”, compara Ferreira. A presença desse objeto estranho faria o spin dos elétrons de carbono vibrarem sucessivamente da mesma maneira. A vibração do spin de um elétron seria então repassada a seu vizinho e assim por diante. O problema é que uma corrente de spin se dissemina, sem controle, por todas as direções do grafeno. “A exemplo das ondas criadas por uma pedra jogada num lago, essa corrente é mais fraca à medida que se distancia de sua origem”, diz o pesquisador

O passo seguinte da simulação foi dividir o filme de grafeno em duas partes e alterar a densidade de carga elétrica numa delas. O procedimento geraria nesse segmento do grafeno um potencial de porta, um caminho para o qual a corrente de spin se dirigiria e por meio do qual se disseminaria pelo material. “A corrente de spin não dissipa calor no grafeno e a perda de energia num sistema assim seria mínima. Um dipositivo que funcionasse por meio dessa corrente consumiria pouquíssima energia”, afirma o físico Roberto Bechara Muniz, da UFF, outro autor do trabalho. Além de canalizar a corrente de spin para uma região específica do grafeno e, assim, amplificar seu sinal, a criação da porta funcionaria como uma chave para ligar e desligar o transistor. Permitiria barrar ou liberar a passagem da corrente de spin. “Nosso trabalho dá apenas uma pequena contribuição sobre essa questão, mas mostra ser possível controlar a corrente de spin no grafeno”, diz Muniz. Especialista em spintrônica, José Carlos Egues, do Instituto de Física de São Carlos, da Universidade de São Paulo, que não participou dos trabalhos de Ferreira e Muniz, considera os resultados interessantes, mas ainda muito preliminares. “Mais estudos são necessários para explorar a viabilidade da proposta e a sua relevância para aplicações em spintrônica”, comenta Egues.
Por didatismo, o spin é descrito como o movimento feito por um elétron ao girar em torno do próprio eixo como um pião. Há duas formas de spin, uma com rotação para cima e outra para baixo. Na verdade, o fenômeno é mais complicado do que isso e um elétron pode apresentar simultaneamente as duas variantes de spin. Em termos práticos, o desenvolvimento de uma nova eletrônica depende do pleno domínio da corrente de spin, como se tem atualmente da corrente elétrica, e de ter meios eficazes de controlar a conversão de um tipo de spin para outro. Físicos de todo o mundo têm tentado criar correntes de spin em materiais semicondutores e também no grafeno, um cristal bidimensional com um conjunto de propriedades singulares.
Num artigo publicado na revista científica americana Science de 15 de abril deste ano, Andre Geim e Konstantin Novoselov, físicos da Universidade de Manchester que ganharam o Nobel de Física de 2010 por seus trabalhos com o grafeno, mostraram indícios de que esse material pode mesmo transmitir uma corrente de spin. Eles aplicaram um campo elétrico entre dois eletrodos situados um milionésimo de metro de uma folha desse material e mediram a voltagem numa região distante 10 milionésimos de metro dos eletrodos. Quando o grafeno foi exposto a um campo magnético, a voltagem se tornou mais elevada. Essa variação, segundo os autores do estudo, é uma evidência de que há uma corrente de spin passando pelo grafeno.

Fonte: FAPESP (Pesquisa)

O processador quântico

Em 2007, a empresa canadense D-Wave, então recém-criada a partir dos laboratórios da Universidade da Colúmbia Britânica, afirmou ter construído o primeiro processador quântico.

© D-Wave (processador quântico de 128 qubits)

Físicos de todo o mundo mostraram-se céticos com a alegação: o processador era interessante, mas todos duvidavam de que ele usasse fenômenos quânticos para funcionar.

Agora, pela primeira vez, a empresa decidiu publicar um artigo científico dando alguns detalhes sobre o funcionamento do seu processador e revelando o papel que a mecânica quântica representa em seu funcionamento.

Ao contrário de todas as pesquisas na área da computação quântica, que estimam que décadas de pesquisas ainda nos separam desses computadores futurísticos, o chip da D-Wave foi fabricado usando as técnicas tradicionais da microeletrônica, embora usando materiais supercondutores.

O processador possui 128 qubits supercondutores e 24.000 componentes conhecidos como junções Josephson, ou qubits de fase Josephson. Como todo material supercondutor, ele funciona sob temperaturas criogênicas.

"Nós já sabemos há algum tempo que esses processadores são extremamente eficazes em resolver os problemas para os quais eles foram projetados, mas esta é a primeira vez que nós pudemos abrir a caixa-preta e mostrar como eles exploram a mecânica quântica para resolver esses problemas," anunciou Geordie Rose, gerente de tecnologia da D-Wave.

O artigo descreve o funcionamento de um bloco do circuito do processador, denominada célula. A célula, uma das 16 que formam o processador quântico, é formada por oito qubits supercondutores de fluxo e 1.500 junções Josephson.

Os pesquisadores tiraram uma série de 'fotografias' do comportamento da célula conforme ela executava um cálculo e mostraram que, usando o alto grau de controle embutido no circuito integrado, os efeitos quânticos podem ser precisamente controlados como desejado por um programador para acelerar os cálculos.

Os dois níveis mais baixos de energia - os elétrons circulando no sentido horário ou anti-horário - podem ser usados para representar os 0s e 1s.

O campo magnético associado com a corrente elétrica que percorre o qubit de fluxo também é quantizado, apontando num ou noutro sentido conforme a direção da corrente. O sentido desse campo magnético pode ser alterado usando um campo magnético externo.

O grande desafio para a construção de um computador quântico é manter os qubits com seus valores, sem que os dados sejam corrompidos por influências externas.

A empresa afirma que, usando uma propriedade chamada termalização quântica (quantum annealing), dentro de um conceito conhecido como computação quântica adiabática, seu processador mantém oito qubits acoplados, todos no menor nível de energia.

Para fazer os cálculos, o processador liga e desliga as interações entre os diversos qubits. Com isto, o estado de baixa energia do sistema em situação de não-interação deve evoluir naturalmente para o estado de baixa energia do sistema em interação - a resposta do cálculo estará codificada nas interações.

Os pesquisadores argumentam que os qubits de fato atingem seu menor estado de energia seguindo a mecânica quântica. A evolução do sistema é consistente com a mecânica quântica, e não com a mecânica clássica.

A empresa anunciou que pretende publicar novos artigos científicos nos próximos meses, dando mais detalhes do funcionamento do seu processador.

Fonte: Nature