Physics News Update – Algumas Matérias Selecionadas

Estas são algumas das matérias contidas em boletins anteriores ao primeiro que eu traduzi e postei. A troco de que? Vocês vão ver quando eu traduzir e publicar o próximo.
Número 761, matéria 1, 11 de janeiro de 2006 por Phil Schewe e Ben Stein
O MELHOR TESTE DIRETO DE E=mc2. A fórmula de Albert Einstein de como a matéria e a energia são equivalentes, é um importante enunciado do princípio da conservação de energia. Em tanto quanto sabemos, ela está funcionando no momento em que uma bomba atômica explode, quando a fissão de Urânio é explorada para gerar energia elétrica, ou quando um elétron e um posítron se aniquilam dentro de um scanner PET. Uma nova experiência – realizada por cientistas do MIT, da Universidade Laval de Quebec, Canadá, Univeridade do Estado da Flórida, Universidade de Oxford, NIST e o Instituto Laue-Langevin de Grenoble, França – realiza uma cuidadosa contabilidade de matéria e energia eletromagnética para um processo no qual íons de Enxôfre e Silício absorvem nêutrons, transformando-os em novos isótopos, enquanto emitem raios gama. Nesta transação, a equação de Einstein é provada correta até um nível de 0,00004%, um fator 55 vezes melhor do que o melhor teste anterior. (Rainville et al., Nature, 22/29 de dezembro de 2005
Número 763, matéria 1, 30 de janeiro de 2006 por Phil Schewe e Ben Stein
UM RARO ESTADO e-/e+/e-. O melhor estudo do raro “átomo” constituído por dois elétrons e um posítron está sendo relatado. O “Positrônio” (abreviatura: Ps) é um objeto muito “limpo” composto por dois corpos: consiste de um elétron e um posítron que, depois de cerca de 150 nanossegundos, se aniquilam. Para o estudo da quanto-eletrodinâmica (QED), o Ps é, de certa forma, melhor do que um átomo de Hidrogênio: constituentes puntuais e sem forças nucleares para complicar (o tamanho do próton e sua própria estrutura interna injetam incertezas nas estimativas de QED do comportamento do Hidrogênio), o Ps é um sistema quântico mais simples, embora frágil. Um “átomo” ainda mais frágil é o objeto triplo que consiste em dois elétrons e um posítron. O Ps, como é conhecido, é menos adequado para estudos de QED o que o Ps, mas tem a virtude de ser o mais simples sistema de três corpos na física. Da mesma forma, ele é mais simples do que H, H2+ e Hélio, por ser constituído por entidades puntuais e a ausência de forças nucleares. O Ps é, tal como o Ps, um estado entrelaçado com estados quânticos de energia discretos, embora se calcule que apenas o estado fundamental seja estável contra a dissociação em Ps e um elétron livre. Se conhece muito pouco do Ps além de sua duração. Agora, uma nova experiência realizada no Instituto Max Planck de Física Nuclear, em Heildelberg, mediu a existência do Ps com uma precisão seis vezes melhor (o novo valor é de meio nanossegundo). O Ps é obtido atirando um feixe de posítrons contra uma fina folha de Carbono e seu tamanho é, na verdade, um pouco maior do que um átomo de Hidrogênio. (Fleischer et al., Physical Review Letters, artigo em fase de publicação).
Número 765, matéria 1, 14 de fevereiro de 2006 por Phil Schewe e Ben Stein
ATAQUE DOS TELECLONES. Os criptógrafos quânticos deveriam começar a se preocupar? Ao contrário da matéria cotidiana, sistemas quânticos, tais como fótons, não podem ser copiados, ao menos não perfeitamente, de acordo com o “teorema da não-clonagem”. Não obstante, é permitida uma clonagem imperfeita, enquanto o Princípio de Incerteza de Heisenberg não for violado. De acordo com Heisenberg, medir a posição de uma partícula perturba a mesma e limita a precisão com que a propriedade complementar (momento) pode ser determinado, tornando impossível reproduzir confiavelmente todo o conjunto de propriedades da partícula. Agora, a clonagem quântica foi combinada com o teletransporte quântico, na primeira demonstração experimental completa de “teleclonagem”, por cientistas da Universidade de Tóquio, Agência Japonesa de Ciência e Tecnologia e a Universidade de York. Em um teletransporte ideal, o original é destruído e suas exatas propriedades são transmitidas a uma segunda partícula remota; o Princípio de Heisenberg não se aplica porque nenhuma medição definitiva é realizada na partícula original. Na teleclonagem, o original é destruído e suas propriedades são emitidas, não para uma, mas para duas partículas remotas, com as propriedades da partícula original sendo reconstruídas até uma fidelidade máxima de menos de 100%. (O Princípio de Heisenberg limita a capacidade de fazer clones porque, se não fosse assim, os pesquisadores poderiam continuar fazendo cópias da partícula e aprender tudo a respeito de seu estado). Em sua experiência, os pesquisadores não teleclonaram uma única partícula, porém todo um feixe de luz laser. Eles transmitiram o campor elétrico do feixe, especificamente sua amplitude e fase – mas não sua polarização – para dois feixes quase idênticos em posições remotas com 58% de precisão ou fidelidade, para um limite teórico de 66%. Esta característica notável da teleclonagem é uma ramificação da própria mágica da mecânica quântica: entrelaçamento quântico. A teleclonagem se distingue da clonagem local e da teleportação por necessitar de um entrelaçamento “multipartículas”, uma forma de entrelaçamento no qual são necessárias correlações mais estritas entre as partículas ou sistemas quânticos, neste caso três feixes de luz. (Um exemplo de entrelaçamento multipartículas é o estado Gigahertz entre três partículas relatado no PNU nº 414.) Além de representar uma nova ferramenta de informação quântica, a teleclonagem pode ter uma aplicação exótica: “grampear” canais de criptografia quântica. Protocolos de criptografia quântica são tão seguros que podem descobrir “grampos”. Não obstante, com a teleclonagem a identidade e a localização do bisbilhoteiro podem permanecer garantidamente não comprometidas. (Koike et al. Physical Review Letters, 17 de fevereiro de 2006. Para uma demonstração mais antiga e parcial de teleclonagem – entre um fóton original e um clone em uma localização remota e outro clone local – ver Physical Review Letters, 15 de julho de 2005.
Número 765, matéria 2, 14 de fevereiro de 2006 by Phil Schewe and Ben Stein
PERÍODOS CRÍTICOS DO MERCADO DE AÇÕES. Nos meses que antecedem e se seguem a uma grande crise no mercado, as flutuações de preços seguem padrões semelhantes aos observados nos fenômenos naturais, tais como o rítmo cardíaco e terremotos, dizem os físicos na edição de 17 de fevereiro da Physical Review Letters. Uma equipe da Universidade de Tóquio estudou o índice S&P 500, da Agência Standard & Poor, com o foco em pequenos desvios das tendências de longo prazo. Essas flutuações para cima e para baixo nos preços das ações são usualmente “Gaussianas”, ou “normalmente” aleatórias, pelo menos quando medidas ao longo de intervalos de tempo suficientemente grandes – por exemplo, por mais de um dia. Isso significa que as flutuações provavelmente serão pequenas, enquanto que grandes oscilações são menos prováveis, com as respectivas probabilidades formando uma curva de sino. Porém, quando a equipe examinou períodos de 2 meses no entorno de grandes crises, tais como a “Segunda-Feira Negra” de 19 de outubro de 1987, eles viram uma história diferente: flutuações de todas as magnitudes eram igualmente prováveis. Como conseqüência, o gráfico das oscilações dos índices parecia estatiticamente similar, caso plotado sobre diferentes escalas de tempo, em qualquer parte entre escalas de 4 minutos e duas semanas. Este comportamento foi chamado de “crítico” em uma analogia com um metal ferromagnético em sua “temperatura crítica”, quando se formam regiões onde os átomos do metal dispõem seus spins na mesma direção, e essas regiões parecem similares em diferentes níveis de ampliação. Esta auto-similaridade foi igualmente observada nos intervalos entre batimentos cardíacos, ou entre terremotos. Matematicamente, entretanto, o caso do mercado de ações difere dos outros porque as probabilidades não se modificam com o tamanho do evento, enquanto que no caso de auto-similaridade não-crítica, as probabilidades usualmente seguem uma, assim chamada, lei exponencial. Não fica claro quais decisões individuais de transações levam a uma fase crítica do mercado de ações, diz o co-autor Zbigniew Struzik, embora ele e a equipe na Univesidade de Tóquio estejam trabalhando para encontrar explicações. Também não fica claro se as descobertas podem levar a um sistema de “alerta antecipado” para prever crises e se um tal sistema poderia precipitar uma crise – ou criar uma artificialmente – induzindo ao pânico. “Isto poderia compensar ou neutralizar uma crise, ou torná-las piores”, diz Struzik. (Kiyono et al., Physical Review Letters, 17 de fevereiro de 2006)
Número 769, matéria 1, 17 de março de 2006 por Phil Schewe e Ben Stein
UM NOVO TRIUNFO DA INFLAÇÃO. O modelo inflacionário do Big Bang passou por um teste crucial, como revelaram os cientistas que trabalham na Sonda Wilkinson de Anisotropia de Microondas (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe = WMAP), em uma longamente aguardada série de dados, em uma conferência de imprensa realizada em 17 de março. A WMAP foi lançada em 2001 mara mapear as anisotropias no fundo cósmico de microondas (Cosmic Microwave Backgound = CMB), com uma precisão muito maior do que sua predecessora, a Exploradora do Fundo Cósmico (Cosmic Background Explorer = CME), que descobriu as anisotropias na década de 1990. O primeiro lote de dados da WMAP, 3 anos atrás, fixou diversas características do universo que, anteriormente, eram conhecidas de forma muito imprecisa, inclusive: a era da recombinação (380.000 anos após o Big Bang, quando se formaram os primeiros átomos); a idade do universo (13,7 bilhões de anos, mais ou menos 200 milhões de anos); e a conformação do universo (com a Energia Escura respondendo por 73% de toda a energia – ver PNU 624). Desde o anúncio de 2003, os pesquisadores da WMAP têm trabalhado com afinco para reduzir as incertezas de seus resultados. A grande novidade no anúncio de ontem, com base em três anos de dados, foi a liberação de uma mapa do céu contendo informações acerca da polarização das microondas (ver a imagem em Physics News Graphics). As microondas são parcialmente polarizadas, ou orientadas, a partir do tempo de sua origem (emergino da assim chamada “esfera da última dispersão” – ver PNU 591) e parcialmente polarizadas pela disperão, em sua jornada em direção à Terra, a partir do plasma pervasivo da maior parte do Hidrogênio ionizado criado quando a radiação ultravioleta da primeira geração de estrelas atingiu o gás interestelar em redor. A WMAP agora estima que esta reionização, que marca efetivamente a era das primeiras estrelas, tenha ocorrido 400 milhões de anos depois do Big Bang, em lugar dos 200 milhões de anos anteriormente estimados. O principal passo adiante é que menores fatores de erro, cortesia do mapa de polarização e do mapa de temperaturas, muito melhor, do céu – com uma incerteza de apenas um bilhonésimo de grau Kelvin – fornece uma nova estimativa para as falhas de homogeneidade na temperatura do CMB. O modelo mais simples, chamado de Harrison-Zeldovich, afirma que o espectro das falhas de homogeneidade deveria ser plano; ou seja, as falhas de homgeneidade deveriam ter a mesma variação em todas as escalas. A inflação, por outro lado, preve pequenos desvios dessa planura. Os novos dados da WMAP, pela primeira vez, medem o espectro com presisão suficiente para mostrar uma preferência pela inflação, em lugar do espectro previsto pelo modelo Harrison-Zeldovic – um teste que foi longamente aguardado como a “pistola ainda fumegante” da inflação. Publicações disponíveis na página da NASA na Web; imagem disponível em Physics News Graphics. Imagens de alta resolução de mais informações disponíveis na página da NASA
Número 769, matéria 2, 17 de março de 2006 por Phil Schewe e Ben Stein
NANOTUBOS DESDOBRADOS. O Carbono bidimensional, ou Grafeno, tem muitas das propriedades do Carbono unidimensional (na forma de nanotubos): os elétrons podem ser mover a altas velocidades e sofrer apenas pequenas perdas de energia. De cordo com Walt deHeer (Georgia Tech), que falou no encontro desta semana da Sociedade Física Americana (American Physical Society = APS), em Baltimore, o Grafeno fornecerá uma plataforma muito mais controlável para eletrônica integrada do que é possível com nanotubos, uma vez que as estruturas de Grafeno podem ser fabricadas litograficamente como grandes “wafers”. Folhas isoladas de Grafeno só foram isoladas em 2004 por Andre Geim (Universidade de Manchester). No Grafeno, a velocidade do elétron é independente da energia. Isto é, os elétrons se movem como ondas de luz; se comportam como se fossem partículas sem massa. Esta extraordinária propriedade foi elucidada em novembro de 2005, através de experiências (ver artigos de apoio na edição de janeiro de 2006 de Physics Today), usando o Efeito de Hall Quântico (Quantum Hall Effect = QHE), no qual elétrons, confinados em um plano e submetidos a altos campos magnéticos, executam apenas as trajetórias quânticas prescritas. Estes testes foram relaizados por grupos representados no encontro da APS por Geim e Philip Kim (Universidade de Columbia). Os estudos do QHE também revelaram que, quando um elétron completa uma trajetória circular completa no campo magntético imposto, sua função de onda (que define a natureza ondulatória quântica do elétron) sofre uma rotação de 180°. Esta modificação, chamada “Fase de Berry”, funciona de modo a reduzir a propensão dos elétrons de se espalharem na direção contrária, o que, por sua vez, ajuda a reduzir as perdas em energia. Geim relatou uma nova virada nesta história. Estudando o QHE em bi-camadas de Grafeno, ele observou uma nova versão do QHE, com uma “Fase de Berry” dobrada de 360°. Geim também traçou uma comparação com certas cosmologias nas quais múltiplos universos podem coexistir, cada um com seu próprio conjunto de constantes físicas; no Grafeno, diz ele, onde os elétrons se movem de maneira semelhante à luz, com uma grande velocidade – porém uma algo menor do que a da luz no vácuo – o parâmetro que fixa a escala da força eletromagnética, mais eatamente a “constante de estrutura fina” (definida como e2/hc), tem um valor aproximadamente de 2,0, em lugar do costumeiro 1/137. A nova meta é aprender mais sobre a física do Grafeno e depois se preocupar com aplicações. Por exemplo, Walt deHeer relatou que um gráfico de resistência versus campo magnético aplicado tem um formato fractal. DeHeer declarou que, até agora, não tem explicação para isto. No tocante às aplicações, ele disse que em um chip totalmente de Grafeno, os componentes de ligação com as usuais interconexões metálicas que tendem a corromper relacionamentos quânticos, não seriam necessárias. Assim, a natureza ondulatória dos elétrons poderia ser mais inteiramente explorada para efeitos de informação quântica. O grupo de DeHeer, até agora, tem tentado construir circuitos desta forma: eles fizeram estruturas de Grafeno (inclusive um transistor de Grafeno) tão pequeno como 80 nanômetros (80 bilhonésimos de metro) e esperam chegar até o tamanho de 10 nanômetros.
Número 770, matéria 1, 23 de março de 2006 por Phil Schewe and Ben Stein
LUZ BIDIMENSIONAL. Luz bidiomensional, ou plasmons, podem ser disparados quando a luz bate contra uma superfície metálica texturizada. Os plasmons podem ser úteis para cobrir a divisão entre fotônica (alta quantidade de dados, mas também na escala relativamente larga de circuitos com dimensões de um mícron – um milésimo de milímetro) e eletrônica (quantidade relativamente baixa de dados, mas com dimensões pequenas de dezenas de nanômetros – milhonésimos de milímetro). Pode-se estabelecer uma disciplina híbrida, a “plasmônica”, na qual a luz é, primeiro, transformada em plasmons, que se propagam em uma superfície metálica, porém com um comprimento de onda menor do que a luz original; os plasmons podem, então, ser processados com seus próprios dispositivos ópticos bidimensionais (espelhos, canais de ondas, lentes, etc.) e, mais tarde, os plasmons podem ser reconvertidos em luz ou em sinais elétricos. Para mostrar como este campo está criando forma, aí vão alguns resultados de “plasmônica” que foram no grande bazar de física internacional, o encontro de março da Sociedade Americana de Física, que ocorreu na semana passada em Baltimore.
1. Plasmons em biosensores e terapia do câncer: Naomi Halas (Universidade Rice) descreveu como plasmons excitados em uma superfície de partículas muito pequenas, revestidas de ouro, na forma de grãos de arroz, podem atuar como poderosas e localizadas fontes de luz para a realização de espectroscopia em moléculas orgânicas próximas. Os campos elétricos dos plasmons nas extremidades curvas do “arroz” são muito mais intensos do que a luz laser, usada para excitar os plasmons, e assim aumentam grandemente a velocidade e a precisão da espectroscopia. Sintonizados de maneira diferente, plasmons em nanopartículas podem ser usados não só para a identificação, mas também para a erradicação de células cancerosas em ratos.
2. Microscópio de plasmons: Igor Smolyaninov (Universidade de Maryland) relatou que ele e seus colegas estavam aptos a obter imagens de pequenos objetos em um plano, com resolução espacial tão boa quanto 60 nm (quando truques matemáticos são aplicados, a resolução aumenta para 30 nm), usando plasmons excitados nesse plano por luz laser em um comprimento de onda de 515 nm. Em outras palavras, eles obtêm uma microscopia com uma resolução espacial muito melhor do que a difração normalmente permitiria; além disso esta microscopia tem campo longo – a fonte de luz não tem que estar localizada a menos do que um comprimento de onda de distância do objeto. Este trabalho é, essencialmente, uma versão da “óptica da Chatolândia”. Eles usam espelhos e lentes de plasmons em 2D para auxiliar na obtenção de imagens e, então, removem os plasmons por um conduto de onda.
3. Super-lentes de polarização de fótons e transmisão gigante: Gennady Shvets (Universidade do Texas) relatou seu uso de fonons excitados por luz para obter super-lentes (lentes com materiais de painel plano) com resoluções microscópicas tão boas quanto um vigésimo de um comprimento de onda na faixa do médio infravermelho. Ele e seus colegas puderam obter imagens sub-superficiais de amostras e observaram o que eles chamam de “transmissão gigante”, na qual a luz cai sobre uma superfície coberta com orifícios muito menores do que o comprimento de onda da luz. Muito embora a área total dos orifícios seja somente 6% da superfície total da área, 30% da luz atravessa, por cortesia da atividade dos plasmons nos orifícios.
4. Futuros circuitos de plasmon em freqüências ópticas Nader Engheta (Universidade da Pennsylvania) argumentou que nano-partículas, algumas apoiando a excitação de plasmons, podem ser configuradas para atuar como capacitores, resistores e indutores nanométricos – os elementos básicos para qualquer circuito elétrico. Neste caso, o circuito poderia funcionar não em freqüências de rádio (1010 Hz) or microondas (1012 Hz), mas em freqüências ópticas (1015 Hz). Isto tornaria possível a miniaturização e processamento direto de sinais ópticos com nano-antenas, nano-filtros de circuito, nano-condutores de ondas, nano-ressonadores, e poderiam levar a possíveis aplicações em nano-computação, nano-armazenagem, sinalização molecular e interfaces óptico-moleculares.
Número 771, matéria #1, 29 de março de 2006 por Phil Schewe and Ben Stein
ANIMAÇÃO DA FUSÃO DE BURACOS NEGROS. Agora se pode realizar cálculos acurados das formas de ondas gravitacionais emitidas durante a colisão de Buracos Negros. Um novo estudo computacional de como um par de Buracos Negros, orbitando um ao outro, perturbam o espaço circundante e enviam grandes rajadas de ondas gravitacionais, deve beneficiar a busca experimental por essas ondas com detectores, tais como o Observatório por Interferência de Laser de Ondas Gravitacionais (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory = LIGO) e a planejada Antena Espacial de Interferômetro Laser (Laser Interferometer Space Antenna = LISA). A relativa dificuldade da modelagem computacional do complicado comportamento físico depende, em parte, do sistema em questão e as equações que descrevem as forças atuantes. Para descrever as complicadas configurações das cargas e correntes, usa-se as Equações de Maxwell para estabelecer as forças atuantes. No caso de Buracos Negros binários, as equações são as da Teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. Buracos Negros são o máximo em termos de forças gravitacionais e isto apresenta dificuldades em modelar o comportamento do entorno. Não obstante, alguns físicos na Univesidade do Texas em Brownsville conseguiram, agora, derivar um algorítmo que não só produz acuradas estimativas das ondas gravitacionais dos Buracos Negros espiralando para dentro, mesmo nos pequenos intervalos de tempo que levam à fusão final, mas que também é facilmente implementado em computadores (ver figuras e animação em Physics News Graphics). “A importância deste trabalho”, diz um dos autores o novo estudo. Carlos Lousto, “é que ele dá uma previsão acurada aos observatórios de ondas gravitacionais, tais como o LIGO, do que eles vão observar”. Os novos resultados são parte de um novo estudo de relatividade numérica, relaizado na Universidade do Texas, conhecido como Projeto Lazarus. (Campanelli, Lousto, Marronetti, and Zlochower, Physical Review Letters, 24 de março de 2006).
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Ufa!… acabei… Todas essas matérias são referenciadas no PNU nº 804 e são anteriores a minha primeira tradução (nº 772).
Correções são bem vindas etc e tal, e aquele papo de sempre…

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