(Calma! Não são monopolos magnéticos de verdade! Mas são muito parecidos…)

National Institute of Standards and Technology (NIST)

Primos em larga-escala dos elusivos “monopolos magnéticos” descobertos pelo NIST

		FIGURA: Monopolos Magnéticos são criados quando o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo adjacente (esfera em azul) Imagem ampliada e maiores informações.

Qualquer criança pode dizer que um magneto tem um polo “norte” e um polo “sul’, e que, se você quebrá-lo em duas partes, você invariavelmente ficará com dois magnetos menores, cada um com dois polos, um norte e um sul. No entanto, os cientistas passaram a maior parte das últimas oito décadas tentando encontrar um magneto com um só polo. Uma equipe do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (National Institute of
Standards and Technology = NIST) descobriu um.*

Em1931, Paul
Dirac, um dos “astros do rock” do mundo da física, fez o vaticínio surpreendente de que deveriam existir “monopolos magnéticos”, ou seja, partículas com apenas um polo (norte ou sul). Ele chegou a esta conclusão a partir do exame de um famoso conjunto de equações que explicam o relacionamento entre a eletricidade e o magnetismo. As equações de Maxwell se aplicam a velhas conhecidas partículas monopolares elétricas, tais como os elétrons de carga negativa e os prótons de carga positiva, porém, não obstante as previsão de Dirac, ninguém jamais encontrou as benditas partículas com um único polo magnético.

		FIGURA: Monopolos Magnéticos são criados quando o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo adjacente (esfera em azul) Imagem ampliada e maiores informações.

Agora, uma equipe de pesquisas que trabalha no Centro de Pesquisas de Nêutrons do NIST (NIST’s Center for Neutron Research = NCNR), liderado por Hiroaki Kadowaki da Universidade Metropolitana de Tokio, encontrou o melhor sucedâneo. Criando um composto que, sob certas condições, forma grandes monopolos do tamanho de uma molécula que se comportam exatamente como as partículas previstas deveriam se comportar, a equipe descobriu uma maneira de estudar os monopolos magnéticos em laboratório, não apenas no quadro-negro. (Outra equipe de pesquisas, em trabalho paralelo, publicou descobertas semelhantes na Science no mês passado.**)

“Essas não são as partículas de monopolos magnéticos previstas por Dirac — as nossas são, em comparação, grandes demais — mas se comportam como os verdadeiros em todas as formas”, afirma Jeff Lynn, um físico do
NIST. “Suas propriedades nos permitirão testar como as partículas de monopolos teóricas devem se comportar e interagir”.

A equipe criou seus monopolos em um composto feito de oxigênio, titânio e disprósio que, quando resfriado até próximo do zero absoluto, forma o que os cientistas chamam de “gelo de spin”. O material se congela em cristais de quatro faces (uma pirâmide com uma base triangular [NT: popularmente conhecida como “tetraedro”… não necessariamente regular]) e a orientação magnética, ou “spin”, dos íons em cada um dos vértices ficam equilibrados — dois apontam para dentro e dois para fora. Usando feixes de nêutrons no NCNR, a equipe descobriu que podia desviar para o lado um dos spins, de forma a que três apontassem para dentro e um para fora, “criando um monopolo, ou ao menos seu equivalente matemático”, segundo Lynn.

		FIGURA:  Monopolos Magnéticos são criados quando o spin de um íon em um vértice de um cristal de gelo de spin é invertido, criando um monopolo (a esfera em vermelho) e o monopolo adjacente (esfera em azul) Imagem ampliada e maiores informações.

Como cada pirâmide de cristal partilha seus vértices com as pirâmides adjacentes, inverter o spin de um vértice cria um “anti-monopolo” na pirâmide seguinte. A equipe criou pares monopolo-anti-monopolo repetidamente em um pedaço relativamente grande de gelo de spin, permitindo que eles confirmassem a existência dos monopolos através de técnicas avançadas de imageamento, tais como o espalhamento de nêutrons.

Embora as descobertas não digam à equipe onde no universo podem ser encontradas as fugidias partículas de monopolos magnéticos de Dirac, Lynn declara que o exame do gelo de spin permitirá aos cientistas testar algumas previsões acerca dos monopolo: “As equações de Maxwell indicam que esses monopolos devem obedecer à Lei de Coulomb, o que indica que sua interação deve enfraquecer à medida em que a distância entre eles aumenta. Usando cristais de gelo de spin, podemos testar ideias como essa”.

* H. Kadowaki, N. Doi, Y. Aoki, Y. Tabata, T.J. Sato, J.W. Lynn,
K. Matsuhira e Z. Hiroi. Observation of magnetic monopoles in spin
ice. Journal of the Physical Society of Japan,78, nº. 10, 13 Out. 2009. (A equipe apresentou pela primeira vez suas descobertas na Conferência Internacional sobre Espalhamento de Nêutrons em maio de 2009.)

** D. J. P. Morris, et al. Dirac strings and magnetic monopoles in spin ice Dy2Ti2O7. Science, publicado online em 3 Set 2009.

Pois é… Fazendo um trocadilho, as notícias sobre os monopolos magnéticos foram grandemente exageradas…

Ethan Siegel publicou hoje um post: Magnetic Monopoles? Oh, dear.  – esculachando o press-release que eu (todo bobo…) traduzi. A argumentação é bem simples: dois polos em uma mesma coisa – não importa o quão separados estejam – continuam sendo dois polos. E a “coisa” em questão é a bendita “Corda de Dirac”. Ele transcreve o resumo do artigo da Science, grifando a parte importante (que o redator do press-release parece que não leu):

Embora as fontes de campos magnéticos – monopolos magnéticos – tenham, até agora, se mostrado elusivos em tanto quanto partículas elementares, recentemente foram propostos vários cenários na área da física de matéria condensada com quase-partículas emergentes que se assemelham a monopolos.

Ainda citando o post de Siegel:

O que eles fizeram foi criar “cordas” magnéticas, ou magnetos muito longos e finos em uma estrutura, onde os polos Norte e Sul ficam separados por grandes distâncias. Se olharmos apenas uma extremidade da corda, só veremos um polo. Mas o outro polo continua lá, portanto não se trata de um monopolo. Se tentássemos partir a corda, ainda não conseguiríamos isolar uma das cargas magnéticas. A coisa funciona assim: 

É claro que Siegel dá o devido valor ao trabalho dos cientistas alemães que realizaram as pesquisas, mas enfatiza que nem eles próprios disseram ter isolado (ou observado) um verdadeiro monopolo magnético.

E o site da Science publicou hoje a seguinte notícia: Físicos criam monopolo magnético – quase isso. Na notícia divulgada pela Science, fica bem claro que “monopolo magnético” é uma “licença poética”, tal como aquela da “divisão dos elétrons”. O que me parece que está acontecendo é que físicos de matéria condensada usam o termo “partícula” com uma certa liberalidade.

Não é, então, de estranhar que surjam confusões entre os meros mortais que não estão habituados ao jargão dos pesquisadores.

Esta concepção artística mostra duas estruturas distintas da água: em primeiro plano, a estrutura tetraédrica de baixa densidade; emsegundo plano, a estrutura distorcida da água em alta densidade.  (Imagem: cortesia de Hirohito Ogasawara e Ningdong Huang, SLAC.)

Menlo
Park, Califórnia — A água é familiar para todos — ela dá forma aos nossos corpos e nosso planeta. Porém, apesar de toda essa abundância, a estrutura mo­le­­cular da água tem perma­necido um mistério e as muitas estra­nhas propriedades dessa subs­tância ainda são mal com­pre­endidas. Um recente trabalho no Laboratório Nacional do Ace­le­rador SLAC (do Departamento de Energia) e várias universi­dades na Suécia e no Japão está trazen­do novas informações so­bre as idiossincrasias das molé­culas de água e revelando novidades sobre seu comporta­mento conjun­to em grandes quan­tidades.

Ao todo, a água exibe 66 ano­malias conhecidas que incluem uma densidade que varia de mo­do estranho, um grande calor específico e uma alta tensão su­perficial. De modo oposto aos outros líquidos “normais” que se tornam mais densos quanto mais baixa for a temperatura, a água alcança sua densidade má­xi­ma no entorno dos 4°C. Acima e abaixo dessa temperatura, a água é menos densa; motivo pelo qual os lagos congelam da superfície para baixo, por exemplo. A água também tem uma capacidade incomum de armazenar calor, o que estabiliza a temperatura dos oceanos, e uma alta tensão superficial que permite que insetos caminhem sobre a água, que gotas se formem e que as árvores levem a água a grandes alturas.

— Compreender essas anomalias é muito importante porque a água é a base fundamental de nossa existência: sem água, sem vida. Nosso trabalho ajuda a explicar essas anomalias ao nível molecular nas temperaturas relevantes para a existência da vida – diz Anders Nilsson, cientista do SLAC que lidera as expe­riências.

Como as moléculas se dispõem na forma sólida da água (gelo) é algo há muito conhecido: as moléculas formam uma grade “tetraédrica”, com cada molécula se ligando a quatro outras. Entretanto, descobrir qual é o dispositivo das moléculas de água líquida se mostrou muito mais difícil. Por mais de 100 anos, essa estrutura foi objeto de um intenso debate. O modelo didático corrente sustenta que, já que o gelo é feito de estruturas tetraédricas, a água líquida deve ser parecida, porém com uma estrutura menos rígida, uma vez que o calor cria desordem e quebra as ligações. Quando o gelo se derrete, diz-se, as estruturas tetraédricas perdem sua força e se quebram com o aumento da temperatura, mas continuam tentando se manter, tanto quanto possível, na estrutura tetraédrica, o que resulta em uma distribuição homogênea em torno de estruturas tetraédricas distorcidas e parcialmente rompidas.

Recentemente, Nilsson e seus colegas dirigiram possantes raios-X gerados pela Fonte de Luz de Radiação Synchrotron Stanford no SLAC e do Synchrotron SPring-8 no Japão, sobre amostras de água líquida. Essas experiências indicaram que o modelo didático da água em temperatura ambiente estava incorreto e que, inesperadamente, existem dois tipos diferentes de estrutura – uma muito desordenada e outra muito tetraédrica – não importa em qual temperatura.

Em um artigo publicado ontem em Proceedings of the National Academy of Sciences, os pesquisadores revelam a descoberta adicional de que os dois tipos de estrutura ficam espacialmente separados, com as estruturas tetraédricas aglomeradas em amontoados de cerca de até 100 moléculas, cercadas por regiões desordenadas; o líquido é uma mistura flutuante desses dois tipos de estrutura em temperaturas que vão da ambiente até o ponto de ebulição. À medida em que a temperatura da água aumenta, restam cada vez menos aglomerados, mas sempre restam alguns deles em amontoados de tamanhos parecidos. Da mesma forma, os pesquisadores descobriram que as regiões desordenadas se tornam mais desordenadas ainda com o aumento da tem­peratura.

Nilsson descreve:

— Se pode visualizar isso como um restaurante com pista de dança, onde algumas pessoas se sentam em grandes mesas que ocupam um bom pedaço do espaço – como o componente tetraédrico da água – e outras pessoas ficam na pista de dança, de pé e próximas umas das outras e se movendo mais rápido ou mais devagar conforme o ritmo da música – tal como as moléculas nas regiões desordenadas respondem ao calor. Há uma troca de lugares quando as pessoas sentadas resolvem levantar e dançar, enquanto outras se sentam para descansar. Quando a pista de dança fica realmente cheia, as mesas podem ser removidas para abrir espaço para mais dançarinos, e quando as coisas esfriam, mais mesas podem ser trazidas de volta.

Essa compreensão mais detalhada da estrutura molecular e da dinâmica da água líquida em temperaturas ambientes espelha o trabalho teórico sobre água “super-resfriada”: um estado incomum onde a água não vira gelo, embora esteja muito abaixo do ponto de congelamento. Os teóricos postulam que, nesse estado, o líquido seja composto de uma mistura continuamente flutuante de estruturas tetraédricas e outras mais desordenadas, com a proporção entre os dois tipos variando em função da temperatura — exatamente como Nilsson e colegas descobriram ser o caso com a água nas temperaturas ambientes importantes para a vida.

— Antes, quase ninguém pensava que tais flutuações que levam a estruturas locais diferentes, existissem em temperaturas ambientes – diz Nilsson – Mas foi precisamente o que achamos.

Esse novo trabalho explica, em parte, as estranhas propriedades do líquido. O máximo de densidade da água a 4°C pode ser explicado pelo fato de que as estruturas tetraédricas são de menor densidade que não varia significativamente com a temperatura, enquanto que as regiões mais desordenadas – que têm maior densidade – se tornam mais desordenadas e portanto menos densas, com o aumento da temperatura. Da mesma forma, quando a água se aquece, a porcentagem de moléculas no estado mais desordenado aumenta, o que permite a essa estrutura excitável absorver significativas quantidades de calor, o que leva ao alto calor específico da água. A tendência da água em formar fortes pontes de hidrogênio explica a tensão superficial da qual se aproveitam os insetos para caminhar pela superfície. 

Conectar a estrutura molecular da água com suas propriedades em grandes quantidades é algo tremendamente importante para campos do conhecimento que vão da medicina e biologia, à pesquisa de energia e climatológica. Congcong Huang, um pesquisador que realizou as experiências de difração de raios-X, declara:

— Se não conhecermos este material básico para a vida, como podemos estudar os materiais mais complexos dos quais é feita a vida – tal como as proteínas – que são imersos na água? Temos que compreender o simples, antes de podermos compreender o complexo.

Essa pesquisa foi realizada por cientistas do SLAC, Universidade de Estocolmo, Spring-8, Universidade de Tóquio, Universidade de Hiroshima e Universidade de Linkoping. O trabalho for financiado pela Fundação Nacional de Ciência (EUA), Fundação Sueca de Pesquisa Estratégica, Conselho Sueco de Pesquisas, Centro Nacional de Supercomputadores da Suécia e pelo Minsitério Japonês de Educação, Ciência, Esportes e Cultura. 

 O SLAC National Accelerator Laboratory é um laboratório multi-funcional que explora questões avançadas de ciência de fótons, astofísica, física de partículas e pesquisa com aceleradores. Localizado em
Menlo Park, California, o SLAC é operado pela Universidade de Stanford para o Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA.

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.