uma equipe das Universidades de Cambridge e Birmingham demonstrou que os elétrons em fios estreitos pode se dividir em duas novas partículas chama­das spinons e holons.

O “se dividir” é meio que uma licença poética… O que realmente acontece é que em um fio excepcionalmente fino (chamado de “fio quântico”) os elétrons (que têm cargas EM iguais) se repelem mutuamente e criam o que, em física de matéria condensada, se chama de elétron-buraco: uma ausência de um elétron que funciona como se houvesse um posítron no espaço correspondente.

Em 1981 o físico Duncan Haldane conjeturou teoricamente que, nessas condi­ções de limitação de espaço e em temperaturas extremamente baixas, os elétrons iriam se comportar de maneira que seus campos elétrico e magnético assumisse a forma de duas partículas distintas que ele chamou de spinions (de “spin”) e holons (de “hole” = “buraco” em inglês).

O desafio consistia em criar um “fio quântico” que confinasse os elétrons, e tra­zer esse fio próximo o suficiente de um metal comum, de forma que os elétrons do metal pudessem realizar um “salto quântico” (por meio do “tunelamento quân­tico”) para dentro do fio. Observando como o ritmo de saltos varia em função de um campo magnético aplicado, a experiência pode revelar como o elétron, ao entrar no fio quântico, se “separa” em spinions e holons.

Isso foi feito mediante a colocação de um pente de fios acima de uma nuvem plana de elétrons em um metal. Assim, os físicos de Cambridge, Yodchay Jompol e Chris Ford, puderam ver distintamente as assinaturas das novas partículas, exatamente como os teóricos, Tim Silk e Andy Schofield, de Birmingham tinham previsto.

O Dr Chris Ford do Laboratório Cavendish da Univesidade de Cambridge des­creve:

“Tivemos que desenvolver uma nova tecnologia para fazer passar uma cor­rente entre um fio e uma folha [metálica] separadas por apenas 30 diâmetros atômicos.”

“As medições tiveram que ser realizadas em temperaturas extremamente baixas: cerca de um décimo de grau acima do zero absoluto.

“Os fios quânticos são largamente empregados para conectar ‘pontos’ quân­ticos, os quais podem vir a ser no futuro a base de um novo tipo de compu­tador – o chamado computador quântico. Assim, compreender suas proprie­dades pode ser importante para tais tecnologias quânticas, além de auxiliar no desenvolvimento de teorias mais completas sobre a super-condutividade e a condutividade nos sólidos em geral. Isto pode levar a uma nova revolução nos computadores”.

O Professor Andy
Schofield, da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham, diz:

“O experimento para testar isso se baseia em uma ideia que eu e mais três co­le­­gas tivemos, fazem quase dez anos. Naquela época, a tecnologia neces­sária para realizar o teste ainda estava a anos de distância.”

“O notável nesta nova experiência não é somente a clareza com que se pode observar o spinion e o holon, o que confirma alguns estudos anteriores, mas que o spinion e o holon sejam visíveis bem além da região originalmente ima­gi­nada por Duncan Haldane”.

“Nossa capacidade em controlar o comportamento de um único elétron é a responsável pela revolução dos semicondutores que levou a computadores mais baratos, iPods e outros. Se vamos ser capazes de controlar essas novas partículas com o mesmo sucesso dos elétrons isolados, é algo ainda por se descobrir. O que isso revela é que espremer elétrons em um ambiente confi­nado faz emergir novas propriedades e até novas partículas”.

Notas:

1. O artigo original foi publicado em Science 10.1126/science.1171769 em  http://dx.doi.org/10.1126/science.1171769

2.
A experiência foi realizada no Laboratório Cavendish em Cambridge com o apoio teórico da Escola de Física e Astronomia da Universidade de Birmingham.

Por David L. Chandler,
MIT News Office
29 de julho de 2009

Uma lei firmemente estabelecida da física descreve a transferência de calor entre dois objetos, porém alguns físicos a muito tempo prediziam que essa lei deveria ser quebrada quando os objetos estivessem muito próximos. Entretanto, os cien­tistas jamais tinham podido confirmar – sequer medir – essa quebra na prática. Pela primeira vez, os pesquisadores do MIT conseguiram realizar esse feito e comprovaram que a transferência de calor pode ser até 1.000 vezes maior do que o previsto na lei.

As novas descobertas podem levar a novas aplicações significativas que incluem melhores projetos das cabeças de gravação dos discos rígidos usados para a armazenagem de dados em computadores e novos tipos de dispositivos para coletar a energia do calor que, de outra forma, seria desperdiçada.

A Lei da Radiação do Corpo Negro de Planck, formulada em 1900 pelo físico ale­mão Max Planck, descreve como a energia é dissipada na forma de diferentes comprimentos de onda de radiação, a partir de um objeto ideal não-reflexivo, chamado de corpo negro. A lei diz que a emissão proporcional de radiação em diferentes comprimentos de onda segue um padrão preciso que varia de acordo com a temperatura do objeto. A emissão de um corpo negro é usualmente con­siderada o máximo que um objeto pode irradiar.

A lei funciona perfeitamente na maioria dos casos, porém o próprio Planck sugeriu que, quando os objetos estivessem muito próximos, as previsões feitas pela lei seriam quebradas. No entanto, controlar os objetos de forma a manter as minúsculas separações necessárias para demonstrar este fenômeno se provou uma tarefa incrivelmente.

Gang Chen, Professor “Carl Richard Soderberg” de Engenharia de Energia e diretor do Laboratório Pap­palardo de Micro e Nano Engenharia do MIT, ex­plica: “Planck foi muito cuidadoso ao dizer que sua teoria só era válida para sistemas grandes. Dessa forma ele meio que antecipou essa quebra, mas a maioria das pessoas não sabe disto”.

Parte do problema em medir a forma como a energia é irradiada quando os objetos estão muito próximos reside na dificuldade mecânica em manter os objetos em estreita proximidade sem que eles realmente se toquem. Chen e sua equipe, o estudante de pós-gra­duação Sheng
Shen e o Professor da Universidade de Columbia Arvind Nara­yaswamy, solucionaram este problema de duas maneiras, descritas em um artigo a ser publicado na edição de agosto de Nano Letters (atualmente disponível online). Em primeiro lugar, ao invés de usar duas superfícies planas e tentar manter um minúsculo intervalo entre elas, eles usaram uma superfície plana próxima de uma pequena conta de vidro redonda, cuja posição é mais fácil de controlar. “Se usarmos duas superfícies paralelas, fica muito difícil levá-las à escala nanométrica sem que algumas partes se toquem”, explica Chen, mas com o uso de uma conta só há um único ponto de quase-contato, o que é bem mais fácil de manter. Em segundo lugar, eles usaram a tecnologia do cantilever bimetálico de um microscópio de força atômica para medir as mudanças de tem­peratura com grande precisão.

“Por muitos anos tentamos fazê-lo com placas para­lelas”, descreve Chen. Mas com esse método não foram capazes de manter separações menores do que cerca de um mícron (um milionésimo de metro). Usando contas de vidro (sílica), eles conseguiram ob­ter separações de até 10 nanômetros (10 bilionésimos de metro, ou seja, um centésimo da distância conse­guida anteriormente) e agora estão tentando obter separações menores ainda.

O professor Sir John Pendry do Imperial College London, que realizou extensos trabalhos neste campo, chama os resultados de “muito entusiasmantes”, ao mesmo tempo que observa que os teóricos desde há muito previam essa quebra e a ativação de um meca­nismo mais poderoso.

“A confirmação experimental se mostrou elusiva por causa da extrema dificuldade em medir diferenças de temperatura em distâncias muito pequenas”, diz Pendry. “As experiências de Gang Chen dão uma elegante solução para essa dificuldade e confirmam a contribuição preponderante dos efeitos de campo próximo na transferência de calor”.

Nos sistemas atuais de gravação magnética de dados – tais como o usado nos discos rígidos de computador – o espaçamento entre a cabeça de gravação e a superfície do disco fica tipicamente na faixa de 5 a 6 nanômetros, diz Chen says. A cabeça tende a se aquecer e os pesquiadores têm procurado por meios para gerenciar esse calor e até mesmo explorar o aquecimento para controlar o espaçamento. Segundo ele, “é uma questão muito importante para a arma­zenagem de dados”. Tais aplicações podem ser desenvolvidas bem rapidamente – prossegue ele – e algumas companhias já mostraram um grande interesse pelo trabalho.

As novas descobertas podem também auxiliar o desenvovimento de novos dispositivos de conversão de energia fotovoltáica para captar os fótons emitidos por uma fonte de calor, chamada de termofotovoltáica. Segundo Chen, “O alto fluxo de fótons potencialmente pode permitir a fabricação de conversores de energia termofotovoltáicos mais eficientes e com maior densidade de energia, e até dispositivos totalmente novos de conversão de energia”.

Shen diz que as novas descobertas podem ter “um largo impacto”. As pessoas que trabalham com dispositivos que usam separações muito pequenas, agora podem entender claramente que a Lei de Planck “não é uma limitação fundamental”, como muitos pensavam até agora. Mas Chen adverte que mais pesquisas são necessárias para explorar separações ainda menores porque “não sabemos exatamente qual é o limite ainda” em termos de quanto calor pode ser dissipado em sistemas estreitamente separados. “As teorias correntes não serão mais válidas quando passarmos do intervalo de 1 nanômetro”.

E ele finaliza: “além das aplicações práticas, tais experimentos podem ser uma ferramenta útil para compreender alguma física básica”.

O trabalho foi financiado pelo Departamento de Energia e pelo Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea dos EUA.

		IMAGEM: Esquematização da aparelhagem montada para a detecção das violações de paridade em um feixe de átomos de itérbio. Clique aqui para mais informações.

O Itérbio (Yb) foi descoberto em 1878, porém, até que encontrasse uso como nos atuais reló­gios atômicos, o metal mole jamais foi notícia. Agora o itérbio pode reclamar seu lugar na “cal­çada da fama” da ciência. As medições fei­tas no isótopo Yb-174 (70 prótons e 104 nêu­trons) mostraram os maiores efeitos de quebra de paridade jamais observadas em um átomo — cem vezes mais do que o medido com preci­são no elemento césio.

O princípio da “paridade” presume que, na es­ca­la atômica, a natureza se comporte da mes­ma forma quando se troca a esquerda pela di­rei­ta: interações vistas “no espelho” devem ser indistinguíveis das “normais”. Parece uma ques­­tão de mero bom senso, mas, notavel­mente, não é sempre assim…

Dmitry Budker, da Divisão de Ciência Nuclear do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley e professor de física da Universidade da Califórnia em Berkeley, que liderou a pesquisa, explica que a violação da paridade é um efeito da Força [Nuclear] Fraca. 

Das quatro forças fundamentais da natureza – [Nuclear] Forte, Eletromagnética, [Nu­cle­ar] Fraca e Gravitacional – a última a ser descoberta foi a Fraca que tem um alcance extremamente curto. Os neutrinos, que não têm carga eletro­mag­nética, são imunes ao eletromagnetismo e só interagem através da Força Fraca. A Força Fraca tem também a espantosa capacidade de modificar o “sabor” dos quarks e, desta forma, transformar prótons em nêutrons e vice versa.

A violação da paridade – os nêutrons e a Força Fraca

Os prótons isolados duram para sempre, aparentemente, mas um nêutron iso­lado se desmancha em cerca de 15 minutos; ele se transforma em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino – um processo conhecido como decai­mento beta. E o decaimento beta é um efeito da Força Fraca.

		IMAGEM: Yacov Zel’dovich propôs que a Força Fraca induz correntes elétricas no núcleo atômico que fluem como as correntes em um tokamak. Clique aqui para mais informações.

Os cientistas pensaram por muito tempo que a natureza era simétrica na escala atômica. As coisas deveriam parecer as mesma, não so­men­te quando se invertesse esquerda por di­reita, mas também quando as cargas elétricas das partículas envolvidas em uma interação fos­sem invertidas, ou mesmo se todo o pro­cesso fosse invertido no tempo, do futuro para o passado. Essa inversão é chamada de “con­jugação” – e a conjugação de cargas é deno­tada por “C”, da paridade “P”  e de tempo “T”. Se pensava que a natureza fosse invariante em C, P e T.

Porém em 1957 os pesquisadores descobriram que a Força Fraca não dava a mínima para o que os cientistas achavam. Quando certos tipos de núcleos atômicos (tais como o de cobal­to-60) são colocados em um campo magnético para serem polarizados (alinhar os polos N e S nas mesmas direções) e passam por um decai­mento beta, mais elétrons são emitidos do polo Sul do que do polo Norte.

Essa foi a primeira demonstração da violação da paridade. Antes que essa experiência com o cobalto-60 fosse realizada, o grande físico Richard Feynman tinha dito que, se a violação de P fosse verdadeira (coisa que ele duvidava), seria possível algo que se pensava ser impossível: “distinguir a esquerda da direita”.

Agora parece que vários átomos exibem a violação da paridade, embora isso não seja fácil de detectar. A violação de P foi medida com a mais alta precisão nos átomos de césio que têm 55 prótons e 78 nêutrons no núcleo, por meio de processos ópticos que observam os efeitos resultantes da excitação dos elétrons do átomo a níveis de energia mais elevados.

Os pesquisadores de Berkeley projetaram sua própria aparelhagem para detectar a violação da paridade prevista para o itérbio (que deveria ser bem mais alta do que no césio). Na experiência, o itérbio metálico é aquecido a 500ºC, produzindo um feixe de átomos que é enviado através de uma câmara com campos elétricos e magnéticos orientados perpendicularmente entre si. Dentro da câmara, os átomos de itérbio são alvejados por um raio laser, sintonizado para excitar alguns dos elétrons até estados energéticos mais altos, através de uma transição “proibida” (altamente improvável). Depois os elétrons voltam a níveis energé­ticos menores através de diferentes caminhos.

As interações fracas entre o elétron e o núcleo – junto com interações fracas den­tro do núcleo do átomo – contribuem para “misturar” alguns dos estados de energia dos elétrons, dando uma pequena contribuição para a transição “proi­bida”. No entanto, outros processos eletromagnéticos mais comuns (que envolvem imperfeições na aparelhagem) também contribuem para misturar os estados e “borrar” o sinal. O propósito dos campos elétricos e magnéticos dentro da câmara é amplificar o efeito de violação da paridade e remover ou identificar esses efeitos eletromagnéticos espúrios.

Quando analisaram seus dados, os pesquisadores encontraram um sinal claro de violações de paridade a nível atômico, 100 vezes maior do que o sinal similar obtido a partir do césio. Com refinamentos na experiência, a força e a clareza do sinal do itérbio promete avanços significativos no estudo das Forças Fracas no núcleo.

Observando o trabalho da Força Fraca

Espera-se que as experiências do grupo de
Budker possam expor como a Carga Fraca se modifica em diferentes isótopos (núcleos com o mesmo número de prótons e diferentes números de nêutrons) de itérbio e revelem como as Correntes Fracas se propagam dentro desses núcleos.

		IMAGEM: O isótopo mais comum de Itérbio (Yb) tem 70 prótons e 104 nêutrons no núcleo. Clique aqui para mais informações.

Os resultados também devem ajudar a explicar como os nêutrons dentro dos núcleos de átomos pesados se distribuem, inclusive se uma “película” de nêutrons circunda os prótons no centro, como sugerem diversos modelos nucleares.

Budker afirma: “A película de nêutrons é muito difícil de detectar com sondas com carga, tais como a dispersão de elétrons, porque os pró­tons, com suas grandes cargas elétricas, domi­nam a interação”.

E acrescenta: “Em um nível pequeno, o efeito da violação de paridade medido depende de como os nêutrons ficam distribuídos dentro do núcleo – especificamente de seu raio quadrado médio. O raio quadrado médio do próton é bem conhecido, mas esse seria o primeiro indício de seu gênero da distribuição dos nêutrons”.

As medições de violação de paridade no itérbio também pode revelar “momentos anapolares” na camada externa de nêutrons no núcleo (chamados de “nêutrons de valência”). Como previsto pelo físico russo Yakov Zel’dovich, essas correntes elétricas são induzidas pela Interação Fraca e circulam dentro do núcleo tal como as correntes na bobina toroidal de um tokamak. Elas foram observadas nos prótons de valência do césio, mas ainda não nos nêutrons de valência.

As experiências podem levar a testes sensíveis do Modelo Padrão – a teoria que, embora sabidamente incompleta, ainda é a que melhor descreve as interações de todas as partículas subatômicas observadas até agora.

“Até agora, os dados mais precisos acerca do Modelo Padrão vieram de acele­radores de partículas de altas energias”, explica Budker. “Os bósons vetores da Força Fraca, W e Z, foram descobertos no CERN colidindo prótons com anti­prótons, um regime de ‘alta transferência de momento’. As  experiências de violação de paridade atômicas do Modelo Padrão são muito diferentes – elas ficam no regime de baixa transferência de momento e complementam as expe­riências de altas energias”.

Desde 1957, quando Zel’dovich primeiro sugeriu procurar uma variação a nível atômico por meio de dispositivos ópticos, os pesquisadores têm chegado cada vez mais perto de aprender como a Força Fraca atua nos átomos. A violação da paridade foi detectada em vários átomos e seus efeitos previstos, tais como momentos anapolares nos prótons de valência do césio, observados com uma clareza sempre crescente. Com suas novas técnicas experimentais e a observação de uma grande violação da paridade no itérbio, Dmitry
Budker e seus colegas chegaram a uma nova marca, mais próxima da compreensão da assimetria fundamental de nosso universo na escala atômica.

Artigo: “Observation
of a large atomic parity violation in ytterbium,” por K. Tsigutkin, D.
Dounas-Frazer, A. Family, J. E. Stalnaker, V. V. Yashchuck e D.
Budker, publicado em Physical Review Letters  e disponível online em http://arxiv.org/abs/0906.3039.