Transições de fase topológica da matéria

O prêmio Nobel de Física de 2016 foi para o trio de cientistas britânicos David J. Thouless, F. Duncan M. Haldane e J. Michael Kosterlitz pelas descobertas teóricas das transições de fase topológica da matéria.

© DevianArt (pretzel estilizado)

Os três cientistas britânicos estão hoje baseados nos Estados Unidos. Thouless, nascido em 1934, é hoje professor emérito da Universidade de Washington. Haldane, nascido em 1951, é professor da Universidade Princeton. E Kosterlitz, nascido em 1942, é professor da Universidade Brown.

As pesquisas, que revelaram características da chamada "matéria exótica", podem ter aplicações futuras na eletrônica.

Suas descobertas permitiram avanços na compreensão teórica dos mistérios da matéria e criaram novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais inovadores.

As transições de fase ocorrem quando as fases da matéria transitam entre si, como quando o gelo derrete e se torna água. As fases mais comuns da matéria são gás, líquido e sólido. Mas, em temperaturas extremamente altas ou baixas, a matéria pode assumir outros estados exóticos.

O que os laureados fizeram foi revelar os segredos dessa matéria em estado exótico. Eles criaram métodos matemáticos para estudar essas fases incomuns da matéria que ocorrem, por exemplo, em supercondutores, superfluidos e filmes finos magnéticos.

A topologia é o ramo da matemática que descreve as propriedades da matéria que mudam apenas passo a passo. "O pão não tem buraco, o bagel tem um buraco e o pretzel tem dois buracos. O número de buracos é algo que chamamos de invariável topológica," disse Thors Hans Hansson, um dos membros do comitê do prêmio Nobel de Física . Isso é chamado invariável porque não é possível ter um estágio intermediário entre um buraco e dois buracos (não existe meio buraco, por exemplo).

No início de 1970, Michael Kosterlitz e David Thouless derrubou a teoria então vigente que a supercondutividade não poderia ocorrer em camadas finas. Eles demonstraram que a supercondutividade pode ocorrer a baixas temperaturas e também explica o mecanismo da transição de fase, que faz desaparecer a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

Na década de 1980, Thouless foi capaz de explicar uma experiência anterior com camadas eletricamente condutoras muito finas em que a condutância foi precisamente medida através da topologia. Simultaneamente, Duncan Haldane descobriu como conceitos topológicos podem ser utilizados para compreender as propriedades das cadeias de pequenos ímãs encontrados em alguns materiais.

Agora sabemos de muitas fases topológicas, não apenas em camadas finas, mas também em materiais tridimensionais comuns. Durante a última década, esta área tem impulsionado a pesquisa em física da matéria condensada.

A esperança, segundo a Academia Real de Ciências da Suécia, é que as pesquisas possam ser usadas em novas gerações de eletrônicos e supercondutores, ou em futuros computadores quânticos.

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

A luz poderá existir em nova forma

Uma nova pesquisa sugere que é possível originar uma nova forma de luz ao ligá-la a um único elétron, que combina as propriedades desta partícula da matéria com as da luz.

© V. Giannini (luz capturada na superfície de um isolador topológico)

De acordo com os cientistas que desenvolveram este estudo no Imperial College London, a luz e o elétron acoplados terão propriedades que podem levar à fabricação de circuitos que trabalham com fótons em vez de elétrons.

Também provavelmente permitirá o estudo dos fenômenos físicos quânticos que regem as partículas subatômicas, mas numa escala visível.

Em materiais normais, a luz interage com uma série de elétrons dispostos na superfície e no interior do material. Mas usando a física teórica para modelar o comportamento da luz e um tipo recém-descoberto de materiais designados isoladores topológicos, os pesquisadores do Imperial College London descobriram que esta poderá interagir apenas com um elétron na superfície.

Isso produziria um acoplamento que funde algumas das propriedades da luz e do elétron. Normalmente, a luz viaja em linha reta, mas, quando ligada ao elétron irá, em vez disso, acompanhar o seu percurso, seguindo a superfície do material.

No estudo o Dr. Vincenzo Giannini e seus colegas modelaram essa interação em torno de uma nanopartícula feita de um isolante topológico.

Os modelos demonstraram que a luz adquire algumas propriedades do elétron e que, circulando a partícula, o elétron também adquire algumas das propriedades da luz.

Normalmente, como os elétron viajam ao longo dos materiais, tais como os constituintes dos circuitos elétricos, eles param quando confrontados com um defeito. No entanto, a equipe do Dr. Giannini descobriu que mesmo que houvesse imperfeições na superfície da nanopartícula, o elétron ainda seria capaz de prosseguir com a ajuda da luz.

Se este comportamento puder ser adaptado aos circuitos fotônicos, estes seriam mais robustos e menos vulneráveis a perturbações e imperfeições físicas.

“Os resultados desta pesquisa terão um enorme impacto sobre a forma como concebemos a luz, os isoladores topológicos só foram descobertos na última década, mas já nos proporcionam novos fenômenos para estudar e novas maneiras de explorar conceitos importantes na física,” disse Giannini.

Acrescentou que deve ser praticável observar os fenômenos que ele modelou em experiências recorrendo à tecnologia atual, e a equipe está trabalhando com os físicos experimentais para tornar isso uma realidade.

Ele considera que o processo que origina esta nova forma de luz pode ser ampliado de modo a que o fenômeno possa ser observado com incomparável facilidade.

Atualmente, os fenômenos quânticos só podem ser observados quando se estudam objetos muito pequenos ou objetos que foram muito arrefecidos, mas esta provável descoberta poderá permitir aos cientistas estudar estes comportamentos à temperatura ambiente.

Fonte: Nature Communications

Vibrações inesperadas em nanomaterial

Um grupo de físicos brasileiros observou pela primeira vez em detalhe como os átomos vibram nas bordas de um material de dimensões nanométricas feito exclusivamente a partir do elemento químico fósforo, conhecido como fósforo negro.

© MackGraphe (cristal de fósforo negro)

A imagem mostra o cristal de fósforo negro observado ao microscópio de força atômica: as cores na borda superior indicam a intensidade de vibração de átomos, que é maior nas áreas em vermelho, e menor, nas áreas azuladas.

O fósforo negro, esse material não é encontrado na natureza. Foi sintetizado pela primeira vez em 1914, mas suas propriedades com potencial aplicação em nanotecnologia só começaram a ser descobertas um século mais tarde.

A equipe coordenada pelo físico brasileiro Christiano de Matos descreve uma anomalia no padrão de vibrações que jamais havia sido observada em blocos tão diminutos de fósforo negro nem em outros materiais com dimensões nanométricas, como o grafeno, formado por uma só camada de átomos de carbono e uma das grandes promessas da nanotecnologia. “As bordas do grafeno apresentam algumas propriedades peculiares, mas as vibrações atômicas são iguais às do restante do cristal”, conta Matos, físico do Centro de Pesquisas Avançadas em Grafeno, Nanomateriais e Nanotecnologias (MackGraphe) da Universidade Presbiteriana Mackenzie.

Segundo o pesquisador, por ora é difícil dizer se essas alterações na vibração podem ajudar ou atrapalhar o design de um dispositivo nanotecnológico, como um transistor ou um sensor de luz. Entretanto, o projeto de qualquer dispositivo terá de levar essas vibrações de borda em consideração.

Na escala dos objetos medidos em milionésimos de milímetros (nanômetros), as vibrações atômicas estão estreitamente relacionadas a várias propriedades dos materiais, em especial, à dissipação de calor. São as vibrações que carregam o calor de um lado para outro do material.

Desde que as primeiras propriedades com potencial uso em nanotecnologia do fósforo negro começaram a ser identificadas, em 2014, o interesse dos pesquisadores de diversas áreas por esse material vem crescendo. Chamam a atenção a sua capacidade de conduzir eletricidade e, principalmente, a de emitir e absorver luz em vários comprimentos de onda, propriedade que varia segundo a espessura do cristal de fósforo negro. São essas propriedades que, de acordo com especialistas, podem tornar o seu uso mais vantajoso do que o do grafeno em nanofotônica.

Em termos estruturais, o fósforo negro é semelhante à grafite, o mesmo material usado em lápis. Tanto um quanto outro são formados por folhas de apenas um átomo de espessura empilhadas umas sobre as outras, as camadas monoatômicas de fósforo são chamadas de fosforeno, e as de carbono recebem o nome de grafeno.

Mas as propriedades especiais desses materiais aparecem sob condições distintas. A alta resistência mecânica e a boa capacidade de conduzir calor ou eletricidade do carbono aparecem principalmente quando este elemento químico está disposto em uma folha de um só átomo de espessura, ou seja, encontra-se na forma de grafeno. Já com o fósforo negro é diferente. Suas propriedades se tornam evidentes à medida que os pesquisadores esfoliam o material e chegam a uma dezena (ou até menos) de camadas empilhadas. Essa característica pode permitir controlar mais facilmente as propriedades do material simplesmente adicionando ou eliminando camadas.

Em experimentos conduzidos no MackGraphe, o estudante de doutorado Henrique Ribeiro, orientado por Matos e pelos físicos Marcos Pimenta, da Universidade Federal de Minas Gerais, e Eunézio Antônio de Souza, do MackGraphe, fez feixes de laser incidirem sobre amostras de fósforo negro compostas de diferentes números de camadas atômicas, com espessura variando de 6 a 300 nanômetros. Parte dessa luz é absorvida e parte é espalhada pelos átomos do material. A luz absorvida fornece energia para os átomos vibrarem, alterando as propriedades, em especial, a frequência e a polarização da luz espalhada.

Em seguida, os pesquisadores compararam as medições feitas no experimento com os resultados de simulações feitas pelo físico Cesar Pérez Villegas, que faz estágio de pós-doutorado sob a supervisão de Alexandre Rocha no Instituto de Física Teórica da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em São Paulo. Da comparação, os físicos deduziram como os átomos vibravam ao receber o laser e concluíram que, nas bordas do fósforo negro, os átomos oscilavam de maneira específica, distinta daquela dos átomos do restante do material. Essas vibrações de borda apareceram em todas as amostras, independentemente de sua espessura.

Experimentos semelhantes ao feito agora com o fósforo negro já haviam sido realizados com o grafeno e mostrado que, embora seus átomos vibrem da mesma maneira tanto na borda como em seu interior, a luz espalhada nas bordas deste material pode apresentar frequência diferente da espalhada por seu miolo. A vibração dos átomos viaja pelo material na forma de ondas. No grafeno, a borda funciona como um espelho em que a onda bate e volta refletida. É essa reflexão que modifica a frequência da luz espalhada. Já no fósforo negro, a vibração diferente é explicada por um leve deslocamento dos átomos na borda das camadas de fosforeno. “No fosforeno, os átomos da borda têm uma posição de equilíbrio diferente da dos átomos do meio do material”, conta Matos. “Isso os faz vibrar de modo distinto.”

Fonte: Nature Communications

Cristal líquido descrito pela Relatividade

Pesquisadores brasileiros e norte-americanos acabam de resolver um quebra-cabeça que há um século desafiava os físicos.

© PRL (simulação da superfície de um cristal líquido esmético)

O grupo utilizou simulação computacional para explicar a microestrutura dos cristais líquidos esméticos. Trata-se de uma fase do material na qual as moléculas se dispõem em centenas de camadas curvas igualmente espaçadas, separadas umas das outras por distâncias nanométricas.

Em cada camada, as moléculas podem se movimentar livremente, como nos líquidos. Mas, em cada região do material, as camadas apresentam um ordenamento espacial, como ocorre com esferas concêntricas. Diferentes conjuntos de camadas eventualmente se interceptam, produzindo “defeitos”. Estes, com frequência, apresentam a forma de segmentos de elipses, parábolas ou hipérboles – curvas que, desde a Antiguidade, são chamadas de “cônicas”, pelo fato de poderem ser geradas pela intersecção de um cone por um plano.

Assim, quando confinado entre duas lâminas e observado ao microscópio, o cristal líquido esmético tem a aparência de um mosaico, cujas partes componentes são delimitadas por segmentos de cônicas.

“Esses padrões cônicos vinham sendo estudados há mais de um século, a partir do trabalho pioneiro do físico e mineralogista francês Georges Friedel (1865 – 1933), realizado em 1910. Foi ele quem deduziu que, para formar tais padrões ao ser confinado entre as lâminas do microscópio, o cristal líquido esmético precisava ser constituído por camadas igualmente espaçadas de moléculas”, disse Danilo Barbosa Liarte, primeiro autor do artigo e atualmente trabalhando na Cornell University, nos Estados Unidos.

“O grande desafio era entender como seria possível preencher o espaço com essas cônicas. Conseguimos solucionar o problema fazendo uma analogia entre a estrutura dos cristais líquidos esméticos e a estrutura das martensitas, uma fase cristalina do aço”, afirmou o pesquisador.

Assim chamadas em homenagem ao metalurgista alemão Adolf Martens (1850 – 1914), as martensitas também apresentam uma estrutura peculiar, combinando regiões de deformação e orientação distintas. E é isso que lhes confere uma dureza muito superior às de outras formas de aço. Mas é importante ressaltar que os cristais líquidos esméticos e as martensitas são materiais completamente diferentes. O que têm em comum são suas microestruturas, na qual coexistem diversas configurações compatíveis de baixa energia.

As linhas cônicas que aparecem no cristal líquido esmético são chamadas de “defeitos” porque ocorrem nos locais em que um determinado conjunto de camadas moleculares concêntricas é interrompido e as moléculas contíguas situadas além da linha se apresentam dispostas em outro conjunto. Os defeitos são as intersecções entre esses dois conjuntos. E os conjuntos distintos constituem as variantes do cristal líquido esmético.

“Por analogia com as martensitas, essas variantes podem ser pensadas como deformações de uma estrutura básica. No caso das martensitas, a célula unitária se deforma ao longo de uma das três direções – comprimento, largura e altura. E cada deformação define uma variante. As diversas variantes se combinam segundo um princípio de mínima energia, sujeito às condições de contorno”, explicou Liarte.

Porém existe uma importante diferença que torna o estudo dos esméticos muito mais desafiador do que o estudo das martensitas. É que, no caso das martensitas, as configurações de baixa energia podem ser descritas como simples rotações tridimensionais das variantes cristalinas. Porém, no caso dos esméticos, os mínimos de energia podem ser produzidos também por outros tipos de transformações. E foi em relação a esse tópico que Liarte e colegas deram sua contribuição mais interessante, ao utilizarem as transformações de Lorentz para fazer a passagem de uma variante a outra.

Estabelecidas pelo físico holandês Hendrik Lorentz (1853 – 1928), as transformações de Lorentz são um conjunto de equações que descrevem como as medidas de espaço e tempo se alteram quando realizadas em sistemas de referência inerciais diferentes. Utilizadas posteriormente por Einstein, essas equações constituem o arcabouço matemático da teoria da relatividade especial, publicada em 1905.

“Um dos nossos colaboradores, Randall Kamien, da University of Pennsylvania, deduziu recentemente que os diferentes conjuntos de camadas do esmético podiam ser relacionados uns com os outros pelas mesmas equações da relatividade especial, com a condição de se substituir a variável tempo (t) das transformações de Lorentz por uma grandeza que conta o número de camadas do cristal líquido. Essas equações permitem descrever, por exemplo, as mudanças de excentricidade entre as diversas cônicas”, informou Liarte.

Para descrever todas as variantes possíveis, os pesquisadores utilizaram quatro tipos de transformações: rotações, translações, dilatações e transformações de Lorentz. Esses quatro tipos de transformações compõem a chamada invariância de Weyl-Poincaré, que contém todas as formas de simetria da relatividade especial.

O artigo comunicando o resultado é a capa da edição de 8 de abril de 2016 da revista Physical Review Letters: “Weirdest martensite: smectic liquid crystal microstructure and Weyl-Poincaré invariance”.

Fonte: FAPESP (Agência)

LED para iluminação conduz ao Prêmio Nobel

A Academia Real de Ciências da Suécia concedeu hoje o Prêmio Nobel de Física a Isamu Akasaki, Hiroshi Amano e Shuji Nakamura pela invenção de diodos de luz azul.

© RSAS (efeito de LED simbolizando o Prêmio Nobel)

Os diodos de luz azul proporcionaram uma fonte econômica de luz branca. Além do amplo reconhecimento de seus trabalhos, eles receberão 8 milhões de coroas suecas (US$ 1,1 milhão) para dividir.

Isamu Akasaki nasceu em 1929 em Chiran no Japão. Fez doutorado na Universidade de Nagoia, onde hoje é professor. Hiroshi Amano nasceu em 1960 em Hamamatsu também no Japão, e é professor na mesma universidade. Shuji Nakamura nasceu em 1954 em Ikata, no Japão, mas tem cidadania americana. Com doutorado na Universidade de Tokushima, ele atualmente é professor na Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA. A imagem abaixo mostra os laureados do Prêmio Nobel de Física de 2014; da esquerda para a direita: Akasaki, de 85 anos, Amano, de 54, e Nakamura, de 60.

© AP (laureados do Prêmio Nobel de Física de 2014)

Por muitos anos, a indústria teve à sua disposição LEDs de cor vermelha e verde. No entanto, para obter luz LED branca, era necessário ter a componente azul.

Nos anos 1990, os cientistas premiados conseguiram produzir essa luz, possibilitando o uso de LEDs para iluminação, com gasto muito menor de energia que a usada pelas lâmpadas incandescentes, com consumo pelo menos 90% menor. O consumo de materiais também é diminuída com LEDs que duram até 100.000 horas, em comparação com 1.000 horas para lâmpadas incandescentes e 10.000 horas para lâmpadas fluorescentes.

A iluminação com LEDs é muito mais eficiente que a de lâmpadas tradicionais. Considerando que quase um quarto da energia elétrica usada no mundo é consumida para iluminar ambientes, sua invenção representa uma considerável economia de recursos naturais, também porque as lâmpadas LED usam menos material e são mais duráveis.

Outra vantagem dessa tecnologia é que seu baixo consumo a torna interessante para uso em lugares onde não há acesso à rede elétrica, como regiões muito isoladas ou muito pobres.

Os laureados desafiaram verdades estabelecidas, trabalharam duro e assumiram riscos consideráveis. Construíram eles mesmos seus equipamentos, e levaram a cabo milhares de experimentos. Na maioria das vezes, eles falharam, mas não se desesperaram, foi arte de laboratório em seu nível mais alto.

Especificamente, o mérito dos pesquisadores foi insistir num determinado material para fazer a luz azul brilhar no LED. Eles elegeram o nitreto de gálio e se esforçaram para criar cristais de qualidade para seu uso em lâmpadas, apesar de muitos outros pesquisadores terem desistido por dificuldades técnicas. Sua decisão foi acertada: entre a década de 1980 e 1990, os vencedores do Nobel publicaram uma série de trabalhos que aperfeiçoaram os processos até a obtenção de um LED azul suficientemente funcional.

As lâmpadas de LED branco emitem uma luz branca brilhante, são duradouras e eficientes em termos de energia. Elas são constantemente aperfeiçoadas, ficando cada vez mais eficientes, com maior fluxo luminoso (medido em lúmen) por unidade de potência elétrica de entrada (medido em watts). Um lúmen é o fluxo luminoso dentro de um cone de 1 esferorradiano, emitido por um ponto luminoso em todas as direções com intensidade de 1 candela. O registro mais recente é pouco mais de 300 lm/W, que pode ser comparado a 16 para lâmpadas comuns e perto de 70 por lâmpadas fluorescentes.

O objetivo principal dos pesquisadores dessa área agora é aumentar a potência dos LEDs, para que menos unidades sejam necessárias para obter um grande poder de iluminação.

A lâmpada LED é uma grande promessa para o aumento da qualidade de vida de mais de 1,5 bilhões de pessoas ao redor do mundo que não têm acesso às redes de eletricidade, devido ao baixo consumo de energia que pode ser alimentado por energia solar barata local.

A invenção do LED azul possui apenas vinte anos de existência, mas já contribuiu para criar luz branca de uma maneira totalmente nova para o benefício de todos nós.

As lâmpadas incandescentes iluminou o século 20; o século 21 será iluminado por lâmpadas de LED!

Fonte: The Royal Swedish Academy of Sciences

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

Nanoestruturas brilham com feixes de elétrons

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

© Elizabeth M. King (catodoluminescência do clinopiroxênio)

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

Fonte: Nature

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)

A misteriosa supercondutividade

A supercondutividade é um dos poucos fenômenos naturais a reunir virtualmente todas as facetas do desenvolvimento científico e tecnológico.

 

© LPS (supercondutor repelindo um campo magnético)

Na descrição do fenômeno mede-se a resistência elétrica do material em função da temperatura. Quando esta decresce, o valor da resistência varia suavemente até que, em determinada temperatura, ele cai abruptamente a zero. A temperatura em que isso ocorre é conhecida como temperatura crítica (T_c) do material observado. Diz-se então que o material é supercondutor abaixo dessa temperatura.

Mas, no alvorecer de seu primeiro centenário, a supercondutividade permanece envolta em mistério e ainda não permitiu que a humanidade a utilizasse em muitas das suas tão sonhadas e plausíveis aplicações tecnológicas.

Como é usual acontecer com as grandes descobertas, a da supercondutividade resultou de um conjunto de eventos fortuitos conduzidos e observados por cientistas. No início do século passado, o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) dedicava-se à liquefação do hélio para obter temperaturas próximas do zero absoluto – ou zero Kelvin (0 K). Conseguiu a façanha em 1908, obtendo a temperatura de 4,2 K, o que lhe valeu o Prêmio Nobel de Física de 1913.

A motivação para a obtenção de temperaturas tão baixas era, principalmente, o estudo da resistência elétrica dos metais em função da temperatura. De acordo com o conhecimento da época, para levar adiante esses estudos seria preciso usar amostras metálicas de alta pureza.

O físico holandês Gilles Holst (1886-1968), um dos colaboradores de Onnes, teve a ideia de usar mercúrio em vez de um metal. Por se tratar de um líquido, a purificação do mercúrio era uma tarefa banal. Então, no dia 8 de abril de 1911, eles colocaram um tubo capilar cheio de mercúrio no hélio líquido e mediram a resistência elétrica do material em função da temperatura: a 4,2 K, a resistência era tão pequena que não podia ser medida. Estava descoberta a ‘supracondução’, primeiro termo usado por Onnes para descrever o fenômeno.

Ironicamente, tudo poderia ter sido muito mais simples. Bastaria ter colocado um pedaço qualquer de chumbo, impuro que fosse, e observariam o fenômeno em temperatura por volta de 7,2 K. Mas apenas em 1913 eles fizeram o experimento com esse metal.

Além disso, havia outro incômodo na supercondutividade: o estado de resistência zero desaparecia quando a amostra era colocada nas proximidades de um campo magnético, por mais fraco que fosse esse campo.

Sabe-se hoje que a explicação para isso é que vários supercondutores descobertos naquela época eram metais elementares, muitos deles supercondutores do tipo I. Nesses metais, o estado supercondutor existe apenas em uma fina camada superficial e é facilmente destruído por campos magnéticos acima de determinado valor que penetram no material.

Passaram-se duas décadas até que a existência de supercondutividade em ligas metálicas fosse reconhecida. Era o nascimento dos supercondutores do tipo II, com temperaturas críticas maiores e estado supercondutor distribuído em grande volume da amostra, de modo que o material resistia mais à presença de campos magnéticos.

Essa interação entre estado supercondutor e campo magnético foi bem investigada pelos físicos alemães Walther Meissner (1882-1974) e Robert Ochsenfeld (1901-1993), que, em 1933, descobriram o efeito Meissner, uma das principais assinaturas do estado supercondutor. O fenômeno está associado à capacidade que um material supercondutor tem de repelir as linhas de força de um campo magnético.

Depois da descoberta do efeito Meissner, o grande salto na pesquisa sobre supercondutividade ocorreu no final dos anos 1950, quando os físicos estadunidenses John Bardeen (1908-1991), Leon Cooper (1930-) e Robert Schrieffer (1931-) apresentaram a hoje famosa teoria BCS, que lhes valeu o Prêmio Nobel de Física de 1972. Um componente importante dessa teoria é a formação de pares de elétrons, os famosos pares de Cooper, responsáveis pela condução elétrica nos supercondutores.

Se a comunidade científica recebeu com grande entusiasmo a teoria BCS, não havia como esconder a frustração pela falta de aplicações tecnológicas da supercondutividade. Mas essa conquista ocorreu poucos anos depois, com a fabricação de fios supercondutores de Nb₃Sn, NbZr e NbTi, que ainda hoje são usados nos equipamentos de ressonância magnética de laboratórios de pesquisa e de hospitais e nos eletroímãs do Grande Colisor de Hádrons (LHC), por exemplo.

Ao mesmo tempo em que os pesquisadores experimentais avançavam na elaboração de supercondutores do tipo II, por volta de 1962, o físico teórico britânico Brian Josephson (1940-) previu a existência do efeito túnel em materiais supercondutores.

Esse fenômeno resultou na invenção do Squid (dispositivo supercondutor de interferência quântica). Trata-se de um sensor que permite realizar medidas magnéticas extremamente sensíveis e é usado atualmente em inúmeros equipamentos de pesquisa e em inovadores aparelhos clínicos de magnetoencefalograma, magnetocardiograma e ressonância magnética funcional.

Nos anos 1970, o avanço científico e tecnológico associado à supercondutividade era tão lento que muita gente foi se dedicar a outras áreas de pesquisa. A história mudou em meados de 1986, com a descoberta das cerâmicas supercondutoras, algumas das quais apresentando supercondutividade abaixo de 90 K.

Encontrar um material supercondutor com temperatura crítica próxima da temperatura do nitrogênio líquido (77 K) foi um grande passo em direção ao sonho supremo da supercondutividade em temperatura ambiente (entre 294 e 296 K). Mas ninguém sabe se chegaremos lá. Na verdade, ainda estamos muito longe: o recorde atual, 138 K, pertence a um óxido à base de mercúrio, bário, cálcio e cobre.

Enquanto as cerâmicas supercondutoras não satisfazem completamente o sonho dos engenheiros, os pesquisadores da área de ciência dos materiais avançam na descoberta de compostos supercondutores, sendo o diboreto de magnésio (MgB₂) o mais novo da família. Comparado com as cerâmicas, ele é medíocre em termos de temperatura crítica (39 K), mas seu estado supercondutor resiste a altíssimos campos magnéticos, o que o credencia para a indústria elétrica de alta potência.

Fonte: Ciência Hoje

Criada fibra óptica com cristal semicondutor

Um grupo de cientistas dos Estados Unidos anunciou o desenvolvimento de uma nova classe de fibra óptica. Trata-se da primeira fibra com o interior feito com seleneto de zinco, um composto amarelo claro com propriedades semicondutoras.

© PSU (fibra óptica com cristal semicondutor)

A nova classe de fibra óptica que permite, segundo os autores, a manipulação mais eficiente da luz e poderá ser usada no desenvolvimento de tecnologias de laser mais versáteis para uso em medicina ou como sensores ambientais e químicos.

John Badding, da Universidade da Pensilvânia, coordenador da pesquisa, explicou que a tecnologia de fibra óptica tem sido limitada pela utilização de um núcleo vítreo.

"O vidro tem um arranjo desordenado de átomos. Já uma substância cristalina, como o seleneto de zinco, é altamente ordenada. Essa ordem permite a transmissão de luz com comprimentos de onda mais longos, especificamente na região do infravermelho médio," disse ele.

Ao contrário de vidro de sílica, que é tradicionalmente utilizado na construção de fibras ópticas, o seleneto de zinco é um composto semicondutor.

É conhecido há muito tempo que o seleneto de zinco é um composto útil, capaz de manipular a luz de uma forma que a sílica não consegue. O desafio foi colocar este composto em uma estrutura de fibra, algo que nunca havia sido realizado antes.

Usando uma técnica de deposição química sob alta pressão, desenvolvida por Justin Sparks, coautor da pesquisa, os cientistas depositaram núcleos de seleneto de zinco no interior de capilaridades do vidro, criando esta nova classe de fibras ópticas.

A nova fibra óptica demonstrou duas vantagens importantes. Primeiramente, os pesquisadores descobriram que a nova fibra é mais versátil não apenas no espectro visível, mas também no infravermelho, a radiação eletromagnética com comprimentos de onda acima da luz visível. A tecnologia atual de fibras ópticas é ineficiente na transmissão da luz infravermelha. A quebra dessa barreira abre caminho para o uso das fibras ópticas na construção de lasers infravermelhos, potencialmente encontrando usos na área médica, em cirurgias, por exemplo. Em segundo lugar, ela é mais eficiente na conversão de luz de uma cor para outra.

"Quando as fibras ópticas tradicionais são usadas em sinalização, exposições e em arte, nem sempre é possível obter as cores que você quer. O seleneto de zinco, por meio de um processo chamado de conversão de frequência não linear, tem maior capacidade de alterar as cores", disse Badding.

Os pesquisadores destacam ainda que a tecnologia poderá ser útil na fabricação de novos detectores de poluentes e de toxinas.

"Moléculas diferentes absorvem luz de diferentes comprimentos de onda. Por exemplo, a água absorve, ou pára, a luz com comprimento de onda de 2,6 micrômetros. Mas as moléculas de certos poluentes ou outras substâncias tóxicas podem absorver a luz de comprimentos de onda muito maiores. Se pudermos transportar luz de comprimentos de onda mais longos através da atmosfera, poderemos ver quais substâncias estão lá com muito mais clareza", disse Badding.

Fonte: Advanced Materials

O primeiro antilaser é construído

O laser é uma invenção de mais de 50 anos de idade usado em diversas tecnologias. Recentemente, foi construído o antilaser, o primeiro aparelho capaz de prender e anular feixes de laser.

© Universidade de Yale (ondas de luz no antilaser)

Um antilaser consome a luz que o atinge, produzindo escuridão e calor. Sua aplicação poderá ocorrer provavelmente na próxima geração de computadores ópticos, que serão alimentados por luz e elétrons.

Um laser amplifica a luz e funciona como "meio de ganho", criando um feixe de fótons idênticos, uma onda de luz coerente, na qual todos os fótons têm a mesma frequência e amplitude e todos estão em fase.

A luz original é injetada em uma cavidade contendo um gás, situada entre dois espelhos. Os fótons alteram o estado quântico dos elétrons do gás, liberando outros fótons idênticos.

Com todos esses fótons refletindo-se de um lado para o outro entre os dois espelhos, e chocando-se com mais elétrons, cada vez mais fótons são liberados, todos idênticos, até criar um feixe brilhante de luz que escapa da armadilha.

É assim que as coisas funcionam quando a seta do tempo aponta para o futuro, como usual.

O que A. Douglas Stone e seus colegas da Universidade de Yale fizeram agora foi colocar o relógio para funcionar ao reverso, pegando a luz de um laser e convertendo-a em calor.

Como inverter todo o processo seria complicado demais, os pesquisadores tiveram a ideia de disparar dois feixes de laser, um na direção do outro, de forma que os dois se cancelassem perfeitamente.

Os dois feixes de laser foram dirigidos para uma "cavidade" que é na verdade uma pastilha de silício, que funciona como "meio de perda".

O silício alinha as ondas de luz de tal forma que elas ficam presas, refletindo-se entre suas paredes indefinidamente, até serem absorvidas e se transformarem em calor.

O antilaser de laser é chamado de tempo reverso ou CPA (Coherent Perfect Absorber). Não exatamente perfeito. O laser reverso de silício absorveu 99,4% da luz infravermelha do laser original, emitida em um comprimento de onda de 998,5 nanômetros, transformando-a em calor. Mas a teoria diz é possível chegar em 99,999% de absorção.

O protótipo do antilaser também ainda não tem o tamanho ideal. Ele mede 1 centímetro de lado, embora os cálculos indiquem que o ideal seria uma pastilha de 6 micrômetros.

A equipe também espera conseguir ajustar o dispositivo para que ele seja capaz de absorver lasers que emitem luz na faixa visível do espectro, assim como nas faixas específicas do infravermelho utilizadas em comunicações por fibra óptica.

Segundo os cientistas, ele poderá ser usado, no futuro, em chaves ópticas, sensores e até em uma próxima geração de computadores, os chamados computadores ópticos.

Como os dados nos processadores ópticos serão transferidos por luz, poderá ser necessário recolher o dado óptico e enviá-lo para um processamento externo, fora do chip. O antilaser poderá fazer isto.

Outra possibilidade é na radiologia, onde o princípio do laser reverso poderá ser usado para dirigir a radiação eletromagnética com precisão para um ponto específico no interior dos tecidos humanos, apesar da opacidade desses tecidos.

Fonte: Science

Um novo estado para partículas de luz

Físicos da Universidade de Bonn criaram um novo tipo de fonte de luz, um condensado de Bose-Einstein consistindo de fótons. Até recentemente, acreditava-se que reduzir partículas de luz a esse estado seria impossível. O método poderá ser útil para a criação de fontes de radiação semelhantes aos raios laser, mas na faixa de frequência dos raios X.

© Jan Klaers, Universidade de Bonn (ilustração de um superfóton)

O condensado de Bose-Einstein surge quando um conjunto de partículas é resfriado até o ponto em que todas assumem características idênticas, de forma que o grupo passa a se comportar como uma única "superpartícula".

O processo já havia sido realizado com sucesso em átomos e também era teoricamente possível de se executar com luz, mas as dificuldades técnicas para condensar partículas de luz eram enormes, já que os fótons simplesmente desaparecem quando a temperatura cai demais.

Os pesquisadores alemães usaram dois espelhos, entre os quais um raio de luz era mantido, refletindo-se de um lado para o outro. Entre os espelhos, foram dissolvidos pigmentos que absorviam e liberavam os fótons. A seguir a imagem mostra a distribuição espacial da radiação durante a formação do condensado de Bose-Einstein.

© Nature (distribuição espacial da radiação)

No processo, os fótons assumiram a temperatura do fluido. Eles se resfriaram até a temperatura ambiente, sem se perder no processo.

Os físicos então aumentaram a quantidade de fótons entre os espelhos, excitando os pigmentos com um laser. Isso permitiu que a luz resfriada se concentrasse de forma tão intensa que acabou gerando um "supérfóton".

Tecnologicamente, isso poderá ser útil para criadores de chips de computador, já que um laser com comprimento de onda muito baixo, como o dos raios X, poderia entalhar padrões extremamente detalhados e precisos no silício.

Fonte: Nature

Criado leitor de elétrons individuais

Um grupo de engenheiros e físicos da Universidade de Nova Gales do Sul e da Universidade de Melbourne, na Austrália, culminando um esforço de 10 anos de pesquisas, criou um dos principais componentes necessários para viabilizar um computador quântico baseado no silício.

© Nature (leitor de elétrons)

Os computadores quânticos prometem aumentos exponenciais na velocidade do processamento usando o spin de elétrons individuais, em vez da avalanche de elétrons consumida em cada bit processado pelos computadores atuais.

Para isso, o computador quântico precisará tanto de uma maneira de mudar o estado do spin (escrevendo o dado), quando de medir esse estado (lendo o dado).

Ao criar o leitor de um único elétron, a equipe dos professores Andrea Morello e André Dzurak tornou possível pela primeira vez a medição do spin de um elétron em um experimento único usando componentes à base de silício.

O dispositivo detecta o estado do spin de um único elétron em átomos individuais de fósforo implantados em um bloco de silício. O estado de spin do elétron controla o fluxo de elétrons em um circuito associado. Medindo o fluxo dos elétrons nesse circuito, na verdade um transístor de um único átomo, é possível ler o spin do elétron.

O uso do silício, em vez de aparatos ópticos ou materiais mais exóticos, torna mais factível a integração do componente em um futuro computador quântico que seja mais simples, escalável e cuja produção em massa seja possível.

Em 2006, Christoph Boehme e seus colegas da Universidade de Utah, nos Estados Unidos, conseguiram ler o spin de aglomerados contendo 10.000 átomos de fósforo incorporados no silício. Agora, os pesquisadores conseguiram ler o spin de elétrons individuais, a última fronteira nessa "cabeça de leitura" quântica.

Foi observado um tempo de vida do spin de 6 segundos num campo magnético de 1,5 T (tesla). A seguir a tabela mostra a taxa de relaxão de spin em função do campo magnético.

© Nature (taxa de relaxação em função do campo magnético)

Agora que a equipe criou um leitor de um único elétron, eles estão trabalhando para concluir rapidamente uma forma de "escrever" o spin de um único elétron, e combinar os dois. A seguir, eles vão combinar pares desses dois componentes para criar uma porta lógica de 2 bits, a unidade básica de processamento de um computador quântico.

Fonte: Nature

Estudo sobre o grafeno gera Nobel de Física

O Prêmio Nobel de Física de 2010 foi concedido a Andre Geim e Konstantin Novoselov, por terem sido os primeiros cientistas a identificar, isolar e caracterizar o primeiro cristal bidimensional já descoberto, o grafeno, composto por uma única camada de átomos de carbono.

© NobelPrize.org (ilustração de uma tela de grafeno)

O trabalho de Novoselov e Geim, com a descrição detalhada do grafeno, foi publicado na revista Science em 2004, o que faz do prêmio deste ano um dos reconhecimentos mais rápidos na história do Nobel. Veja o artigo original: Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films.

© NobelPrize.org (a esquerda: A. Geim e a direita: K. Novoselov)

Andre Geim nasceu 1958 em Sochi, na Rússia, e naturalizado holandês, fez doutorado em Ciências Físicas em 1987 na Academia de Ciências de Chernogolovka e atualmente atua na Universidade de Manchester (Reino Unido). Konstantin Novoselov nasceu em 1974 em Nizhny Tagil, na Rússia, tem dupla nacionalidade britânico-russa, foi professor na Universidade de Nijmegen (Holanda) e é catedrático na Universidade de Manchester.

Durante o anúncio do prêmio, os representantes do comitê Nobel de Física mencionaram várias promessas tecnológicas ligadas ao grafeno, um material que se parece com uma tela de arame, mas com um único átomo de espessura.

As possíveis aplicações são: o sequenciamento de DNA, a criação de novos tipos de célula de energia solar, a detecção de moléculas, a criação de aparelhos eletrônicos dobráveis e flexíveis.

O grafeno é um bom condutor de eletricidade e também é transparente, o que faz dele um forte candidato para o uso em tecnologia eletrônica, por exemplo em telas sensíveis ao toque e na produção de circuitos integrados para utilização em informática e telecomunicações.

O físico Paolo Radaelli, da Universidade de Oxford, lembrou a grande simplicidade da técnica usada por Geim and Novoselov, que se valeram de fita adesiva para isolar camadas de grafeno de uma massa de grafite. "Nesta era de complexidade, com máquinas como o supercolisor, eles conseguiram um Nobel usando fita Scotch", destacou.

Os laureados receberão um diploma, uma medalha de ouro e dividirão um prêmio de 10 milhões de coroas suecas (cerca de R$ 2,5 milhão).

Fonte: Royal Swedish Academy of Sciences

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.

© 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

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.

 

© 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