Você já ouviu falar do Itérbio?… Pois devia.
DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory
A quebra de simetria no Itérbio
As maiores violações da paridade jamais medidas em um átomo
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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.
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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.
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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.
Para quem gosta de Física
Vale à pena uma visita (não que eu queira fazer propaganda enganosa sobre um dos tradutores-colaboradores…)
Galáxias atingem a “maioridade”
Galáxias chegam à “maioridade” em bolhas cósmicas
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A “maioridade” de galáxias e buracos negros foi identificada, graças aos novos dados do Observatório de Raios-X Chandra da NASA e outros telescópios. Esta descoberta ajuda a compreender a verdadeira natureza das gigantescas bolhas de gás observadas em torno de galáxias muito jovens.
Cerca de uma década atrás, os astrônomos descobriram imensos reservatórios de hidrogênio – que eles batizaram de “bolhas” – ao explorarem jovens galáxias distantes. As bolhas brilham luminosas no espectro visível, porém a fonte da imensa energia necessária para esse brilho e a natureza desses objetos não estavam claras.
Uma longa observação do Chandra identificou, pela primeira vez, a fonte dessa energia. Os dados de raios-X mostram que uma fonte significativa de energia dentro dessas estruturas colossais vem de buracos negros super-maciços que ficam parcialmente obscurecidos por densas camadas de poeira e gás. A pirotecnia da formação de estrelas também parece desempenhar um importante papel – dizem o Telescópio Espacial Spitzer e observações feitas do solo.
“Por dez anos os segredos das bolhas ficou escondido das vistas, mas agora descobrimos sua fonte de energia”, declarou James Geach da Universidade Durham University do Reino Unido que chefiou o estudo. “Agora podemos concluir algumas importantes discussões acerca do papel que elas desempenham na construção original das galáxias e buracos negros”.
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Acredita-se que as galáxias se formam quando o gás flui para dentro sob a ação da gravidade e resfria pela emissão de radiação. Esse processo deveria terminar quando o gás fosse aquecido pela radiação e escapasse das galáxias e seus buracos negros. As bolhas poderiam ser um sinal desse primeiro estágio, ou do segundo.
Com base nos novos dados e em argumentos teóricos, Geach e seus colegas mostram que o aquecimento do gás pelos buracos negros super-maciços e as emissões das estrelas em formação, em lugar de resfriar o gás, mais provavelmente energiza as bolhas. Isso implica em que as bolhas representam um estágio onde as galáxias e os buracos negros estão apenas começando a desligar seu rápido crescimento por causa desses processos de aquecimento. Este é um estágio crucial da evolução de galáxias e buracos negros – conhecido como “feedback” – e um que os astrônomos faz tempo tentam compreender.
“Nós estamos vendo sinais de que as galáxias e buracos negros dentro dessas bolhas que estão atingindo a maioridade e agora estão empurrando o gás para fora para impedir um futuro crescimento”, diz o co-autor Bret Lehmer, também de Durham. “As galáxias maciças têm que passar por um estágio assim, ou elas formariam estrelas demais e acabariam ficando ridiculamente grandes nos dias atuais”.
O Chandra e uma coleção de outros telescópios, inclusive o Spitzer, observaram 29
bolhas em um grande campo nos céus, batizado de “SSA22.” Essas bolhas, que medem centenas de milhares de anos-luz, são vistas como eram quando o Universo tinha apenas cerca de dois bilhões de anos, ou seja: aproximadamente 15% de sua idade atual.
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Em cinco dessas bolhas, os dados do Chandra revelaram a assinatura de buracos negros super-maciços em desenvolvimento – uma fonte puntual que brilha fortemente na faixa dos raios-X. Acredita-se que existam esses buracos negros gigantes nos centros da maioria das galáxias, inclusive a nossa. Outras três bolhas nesse campo mostram prováveis indícios desses buracos negros. Com base em outras observações, inclusive do Spitzer, a equipe de pesquisadores foi capaz de estabelecer que várias dessas galáxias também são dominadas por notáveis níveis de formação de estrelas.
De acordo com os cálculos, a radiação e os poderosos fluxos vindos desses buracos negros e estrelas em formação são suficientemente energéticos para causar o brilho do gás de hidrogênio nas bolhas onde residem. Nos casos onde as assinaturas desses buracos negros não foram detectadas, as bolhas são, em geral, menos luminosas. Os autores mostram que buracos negros com energia suficiente para “iluminar” essas bolhas ainda seriam muito fracos para serem detectados, dada a extensão das observações feitas pelo Chandra.
Além de explicar a fonte de energia dessas bolhas, esses resultados ajudam a explicar seu futuro. Dentro do cenário de aquecimento, o gás nessas bolhas não se resfriaria para formar estrelas e iria se somar ao gás aquecido que se encontra nos espaços intergaláticos. A própria SSA22 pode evoluir para um maciço aglomerado galático.
Segundo Geach: “No início, as bolhas devem ter alimentado suas galáxias, mas o que vemos agora parecem mais ser sobras. Isso quer dizer que teremos que procurar ainda mais atrás no tempo para flagrar as galáxias e buracos negros no ato de formarem bolhas”.
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Esses resultados serão publicados na edição de 10 de julho da Astrophysical Journal. O Centro de Voo Espacial Marshall da NASA, em Huntsville, Alabama, gerencia o programa Chandra para a Diretoria de Missões Científicas da NASA em Washington.
O Smithsonian Astrophysical Observatory controla as operações científicas e de voo do Chandra desde Cambridge, Massachusets.
Uma torrente de areia se comporta como água
[ Traduzido daqui: Stream of Sand Behaves Like Water ]
Pesquisas abrem um novo território para experimentos
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Baixos níveis de tensão superficial causam a formação de gotículas semelhantes às de água em fluxos de materiais granulares secos.
Crédito e imagem ampliada |
24 de junho de 2009
Assista a um video em alta velocidade de um fluxo de material granular em queda livre.
Pesquisadores da Universidade de Chicago demonstraram recentemente que materiais secos granulares, tais como areias, sementes e grãos, têm propriedades similares às dos líquidos, formando gotículas semelhantes às da água quando derramados de algum recipiente. A descoberta pode ser importante para uma vasta gama de indústrias que usam partículas secas “fluidizadas” para o refino de petróleo, manufatura de plásticos e produção farmacêutica.
Os pesquisadores até então pensavam que partículas secas não tinham tensão superficial suficiente para formar gotas como os líquidos. Porém, em uma realização inédita, físicos do Centro de Pesquisas e Engenharia de Materiais da Universidade de Chicago, chefiados pelo Professor Heinrich M. Jaeger, usaram fotografia de alta velocidade para medir os diminutos níveis de tensão superficial e detectar a formação de gotas em fluxos de materiais secos granulares.
A revista de ciências Nature
relata a descoberta na edição de 25 de junho. O centro de pesquisas de materiais da Universidade de Chicago é apoiado pela Fundação Nacional de Ciências (NSF).
Até recentemente, os estudos das assim chamadas “torrentes granulares em queda livre” rastreava as mudanças de forma em fluxos de materiais secos, mas não eram capazes de observar a formação de gotas ou os mecanismos de aglomeração envolvidos.
“Os estudos anteriores das torrentes granulares conseguiram detectar a aglomeração com a realização de experiências no vácuo e foram capazes de estabelecer que a aglomeração não era causada pelo atrito com o ar ambiente”, explica Jaeger. “No entanto, a causa da aglomeração permanecia um mistério”.
Porém, nessa nova experiência, os pesquisadores mediram as forças em nanoescala que causam a formação de gotas, usando um dispositivo especial comóvel projetado para uma câmera de alta velocidade, de US 80,000, que captura imagens de uma forma bem parecida ao jeito com que um paraquedista faz para fotografar um colega em queda livre.
Eles observaram micro-esferad de vidro com 100 micrômetros de diâmetro em queda livre, ou areia em fluxo, e descobriram que forças até 100.000 vezes menores do que aquelas que produzem a tensão superficial em líquidos comuns pode causar a formação de gotas em torrentes granulares e fazem com que essas torrentes secas se comportem como um líquido de tensão superficial ultra-baixa.
John Royer, o estudante de pós-graduação em física da Universidade de Chicago que desenvolveu o dispositivo, e seus colegas também mediram diretamente as interações grão a grão com um microscópio de força atômica.
“A princípio nós pensávamos que interações entre grãos seriam fracas demais para influenciar o fluxo da torrente granular”, diz Royer. “A microscopia de força atômica nos surpreendem, demonstrano que pequenas mudanças nessas interações poderiam levar a um grande impacto no fracionamento da torrente, mostrando de maneira conclusiva que essas interações controlavam a formação de gotas”.
Os pesquisadores dizem que a compreensão sobre como os materiais secos coalescem pode levar a uma maior eficiência em seu transporte e manipulação. A produção farmacêutica de pílulas, por exemplo, pode se beneficiar com o derramamento de quantidades iguais de remédios em uma cápsula sempre, o que reduziria grandemente as perdas.
“Estimativas mostram que perdemos 60% da capacidade de produção de muitas instalações industriais devido a problemas relacionados com o transporte desses materiais”, diz said Jaeger. “Assim, mesmo uma pequena melhoria em nossa compreensão sobre como meios granulares se comportam, deve ter um profundo impacto para a indústria”.
Os pesquisadores dizem em seu relatório que esses “resultados experimentais abrem um novo território para o qual ainda não há arcabouço teórico”.
“Nossas experiências fazem duas perguntas para as quais ainda não há uma resposta aceita”, diz Jaeger. “Ambas dizem respeito a como um líquido se separa. Como se dá a separação no limite de tensão superficial ultra-baixa e o que acontece no limite de temperaturas ultra-baixas quando as partículas deixam de se mover com relação às outras?”
“É particularmente notável que uma torrente granular composta de partículas macroscópicas forneça um modelo para explorar o assunto”.
-NSF-
Supercondutores
Pesquisa que emprega duas técnicas complementares melhora a compreensão sobre materiais supercondutores
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Os pesquisadores empregaram duas técnicas para estudar materiais supercondutores em altas temperaturas. |
15 de junho de 2009
A supercondutividade é um estado peculiar onde os elétrons se movem livremente dentro de um material sólido. Essa completa ausência de resistência elétrica pode se traduzir em cabos de transmissão de energia elétrica incrivelmente eficientes, assim como em várias outras tecnologias promissoras.
Mas há um probleminha. A maior parte dos materiais supercondutores só fica supercondutora em temperaturas extremamente baixas, frequentemente nas vizinhanças do zero absoluto (em torno de -273°C). Para resfriar um material o bastante para que seus elétrons se tornem “descolados” de seus átomos, os cientistas precisam banhá-lo continuamente em hélio líquido, uma tarefa dispendiosa e complicada.
Nos anos 1980, os pesquisadores decobriram grupos de materiais que perdem a resistência elétrica em temperaturas bem mais quentes, de até -218°C. Muitos desses supercondutores de “alta-temperatura” podem ser resfriados com nitrogênio líquido,
que ferve a escassos -196°C e é muito mais barato e fácil de usar do que o hélio líquido.
Mas o Santo Graal da supercondutividade seria um material que perdesse a resistência à temperatura ambiente. A fim de descobrir tal prêmio, no entanto, os pesquisadores precisam compreender melhor de que maneira funcionam os supercondutores de alta-temperatura atuais.
As duas técnicas complementares
Um grupo de cientistas, financiado pela Divisão de Pesquisa de Materiais da Fundação Nacional de Ciências (National Science Foundation = NSF), realizou uma pesquisa que abordou a supercondutividade em altas temperaturas por dois caminhos diferentes. Os professores Vidya
Madhavan e Hong Ding do Boston College, juntamente com uma equipe internacional de pesquisadores, usou tanto a microscopia de tunelamento (scanning tunneling microscopy = STM), como a espectroscopia fotoelétrica de resolução angular (angle-resolved photo-electron spectroscopy = ARPES) para estudar o mesmo material, uma cerâmica feita de camadas de óxidos de cobre. Os resultados obtidos foram relatados em Physical Review Letters.
“A STM nos informa acerca das propriedades eletrônicas do material no nível atômico”, explica Madhavan. “Enquanto isso, a ARPES nos dá informações acerca do momento dos elétrons, ou seja, suas velocidades e direções. Empregando essas duas técnicas complementares, podemos obter um quadro mais completo do que acontece”.
De acordo com Madhavan, a STM é simples em conceito: “Se aproxima a ponta de um fio metálico bem para perto da superfície do material em estudo e então se aplica uma pequena voltagem”, ela descreve. Por causa da proximidade entre o material e o fio, no intervalo de poucos Ångstroms entre si, a mecânica quântica entra em cena.
“Embora os elétrons não tenham energia suficiente para saltar da superfície para o fio e vice-versa, a mecânica quântica diz que existe uma possibilidade finita de descobrir um elétron do outro lado”, explica
Madhavan. “Isto se chama tunelamento quântico e nós usamos isso para conduzir um sinal elétrico que pode ser medido como uma corrente”.
Portanto, a corrente elétrica é sensível à distância entre a amostra e a ponta. “Se houver calombos causados por átomos individuais, a distância muda enquanto se escaneia”, diz Madhavan. “Podemos medir essas mudanças e plotar a topografia do material. É como se passassemos o dedo por uma superfície áspera”.
Medindo o Momento
A STM busca a posição de grande número de elétrons no espaço real. Em contraste, a ARPES obtem informação sobre a média das velocidades e direções de um grande número de elétrons no espaço.
A ARPES funciona segundo o princípio fotoelétrico. Uma corrente de fótons atinge a superfície do material, empurrando para fora elétrons, de forma que se pode medir sua energia e momento. Os pesquisadores podem empregar esses dados para calcular o momento dos elétrons dentro do material.
“Pense em uma bola rolando por uma rua”, explica Madhavan. “Ela tem uma velocidade, o que implica em uma direção de movimento. O momento é a velocidade de um objeto vezes sua massa, de forma que o momento da bola tem uma direção, já que sua velocidade tem uma direção”.
A mesma coisa se verifica para elétrons que se movem em um sólido, de acordo com Madhavan. “Se pudermos definir a direção e a velocidade com que os elétrons estão se movendo, conheceremos o momento”, disse ela.
“Uma vez que o material é cristalino, seus átomos ficam dispostos em um padrão ordenado que se repete”, prossegue
Madhavan. “Cada um deles atrais ou repele os elétrons negativos, de forma que estes “sentem” coisas diferentes quando se movem em diferentes direções. Seus momentos – ou seja, como eles se comportam em diferentes direções – é realmente muito importante”.
Gaps e Pseudogaps
Os cientistas usaram tanto STM como ARPES para estudar o Bi 2201 (Bi2Sr2-xLaxCuO6+d),
um óxido de bismuto-cobre com alguns átomos de estrôncio substituídos por lantânio. Eles encontraram indícios de dois gaps de energia diferentes no material.
Um gap de energia é uma faixa de energias que os elétrons não podem ter, segundo as regras da mecânica quântica. Para os supercondutores, esse gap é bem conhecido e diretamente relacionado com a TC, a temperatura crítica, abaixo da qual o material perde a resistência.
“Acima da TC não se espera, normalmente, encontrar outro gap de energia”, diz Madhavan.
“Mas em alguns materiais, se encontra um segundo gap que exclui parte dos elétrons – isso é chamado de pseudogap, porque não é um gap completo”. Com esta pesquisa, a equipe estava tentando compreender os pseudogaps.
“Por longo tempo, as pessoas imaginavam que se poderia começar com um material em alta temperatura e ir o resfriando até a fase de pseudogap”, relata
Madhavan. “Então, na medida em que se resfriasse mais ainda, até a TC, o material entraria em uma fase onde só se observaria supercondutividade”.
Porém, tanto a STM como a ARPES mostraram sinais de que existe uma fase de pseudogap dentro da fase de supercondutividade. “Isso significa que as duas fases estão, de alguma forma, competindo e coexistindo”, observa Madhavan. “É possível que os mesmos princípios físicos que levam ao pseudogap, tambem levem à supercondutividade, caso no qual não se pode ter uma sem o outro”.
Em busca dos Pseudogaps
No futuro, a equipe espera procurar por pseudogaps na fase supercondutora de outros materiais de óxidos de cobre. “Eu não quero afirmar que a compreensão do pseudogap vai nos ajudar a desenvolver supercondutores de temperatura ambiente”, acautela Madhavan. “Por outro lado, isso pode nos ajudar a projetar um tipo diferente de material que possa se tornar, eventualmente, um supercondutor de temperatura ambiente”.
Porém Madhavan não está motivada pela utilidade de sua pesquisa. “As aplicações caem do céu inesperadamente a partir desse tipo de descoberta”, diz ela. “Quando não se está buscando nada em particular, se pode, de repente, descobrir uma maneira completamente diferente de usá-la”.
“A razão pela qual estamos tão interessados em compreender o que acontece com esses materiais, é curiosidade acerca do mundo real. É bonito quando se descobre como alguma coisa funciona na natureza”.
| -Artigo original (em inglês) de |
Holly Martin, National Science Foundation |
Pesquisadores
Hong Ding
Ziqiang Wang
Vidya Madhavan
Instituições e Organizações Relacionadas
Departamento de Física do Boston College
Centro de Radiação Synchrotron do Winsconsin
Laboratório de ARPES da Universidade Tohoku
Instituto de Física e Laboratório Nacional de Matéria Condensada, Beijing
Nanocristais para novas fontes de luz
Novos nano-cristais mostram potencial para lasers baratos e novas fontes de iluminação
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Por mais de uma década, os cientistas têm sido frustrados em suas tentativas para criar fontes de luz de emissão contínua a partir de moléculas individuais por causa de de um artefato óptico chamado “blinking”, mas agora os cientistas da Universidade de Rochester descobriram a física básica por trás desse fenômeno e, junto com pesquisadores da Eastman Kodak Company, criaram um nano-cristal que emite luz constantemente.
As descobertas, detalhadas na edição online de hoje da Nature, pode abrir as portas para lasers muito mais baratos e versáteis, iluminação por LED mais brilhante e marcadores biológicos que permitem rastrear como uma droga interage com uma célula a um nível jamais possível antes.
Muitas moléculas, bem como cristais com somente um bilionésimo de metro de dimensões, podem absorver ou irradiar fótons. Mas eles também passam por períodos aleatórios onde, quando eles absorvem um fóton, em vez desse fóton ser irradiado como luz, sua energia é transformada em calor. Esses períodos “escuros” se alternam com períodos onde a molécula é capaz de irradiar normalmente, o que faz parecer que elas estão “ligando e desligando”, ou “piscando” (em inglês, “blinking”).
Todd Kraus, professor de química na Universidade de Rochester e autor principal do estudo, declarou: “Um nano-cristal que acabou de absorver a energia de um fóton, tem duas escolhas para se livrar do excesso de energia — emitir luz ou calor. Se o nano-cristal emitir essa energia na forma de calor, essa energia está essencialmente perdida”.
Krauss trabalhou com engenheiros da Kodak e pesquisadores do Laboratório Naval de Pesquisas e da universidade Cornell para descobrir os novos nano-cristais que não cintilam.
Krauss, um expert em nano-cristais, e Keith Kahen, principal cientista da Kodak e um expert em materiais e dispositivos de optrônica, estavam explorando novos tipos de iluminação de baixo custo similares aos diodos emissores de luz orgânicos (OLED), mas que não poderiam sofrer das limitações de vida útil curta e problemas de manufatura inerentes a esses diodos.
Kahen, com o auxílio de Megan Hahn, pesquisadora associada do laboratório de Krauss, sintetizou nano-cristais com composições variadas.
Xiaoyong Wang, outro pesquisador associado do laboratório de Krauss, inspecionou um desses nano-cristais e não encontrou indícios do esperado fenômeno de “blinking”. Notavelmente, mesmo após horas de monitoração, o novo nano-cristal não mostrou qualquer sinal de um único lampejo — coisa inaudita, uma vez que os lampejos usualmente ocorrem em uma escala entre milissegundos e minutos.
Depois de uma longa investigação, Krauss e Alexander Efros do Laboratório Naval de Pesquisas concluiram que a razão para os lampejos não ocorrerem era devida à estrutura desusada do nano-cristal. Normalmente, os nano-cristais têm um núcleo de material semicondutor envolvido em uma concha protetora de outro material, com uma fronteira bem demarcada entre ambas. O novo nano-cristal, no entanto, tem um gradiente contínuo que vai de um núcleo de cádmio e selênio até uma concha de zinco e selênio. Esse gradiente suprime o processo que impede os fótons de serem irradiados e o resultado é uma corrente de fótons emitidos tão contínua como a corrente de fótons absorvidos.
Com esses nano-cristais livres de “blinking”, Krauss acredita que lasers e fontes de iluminação se tornem incrivelmente baratas e fáceis de fabricar.Atualmente, lasers de cores diferentes são criados com diferentes materiais e processos, mas, com os novos nano-cristais, um único processo de fabricação pode criar um laser de qualquer cor. Para alterar a cor da luz, um engenheiro só precisa alterar o tamanho do nano-cristal, o que Krauss diz ser uma tarefa relativamente simples.
O mesmo vale para o que se pode chamar de futuro sucessor dos OLEDs, afirma Krauss. Essencialmente, se trata de “pintar” uma grade de nano-cristais de tamanhos diferentes em uma superfície plana para criar telas de computadores da espessura de uma folha de papel, ou uma parede que ilumine um cômodo com luz de qualquer cor que se queira.
Um chuveiro de partículas
[ Particle Showers ]
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O Detector de Neutrinos IceCube, um telescópio, atualmente em construção no Polo Sul, irá observar os neutrinos oriundos das fontes astrofísicas mais violentas: explosões de estrelas, jatos de raios gama e eventos cataclísmicos que envolvem buracos negros e estrelas de nêutrons. O IceCube é uma poderosa ferramenta para a busca pela matéria escura e pode revelar novos processos físicos associados com a enigmática origem das partículas mais energéticas da natureza. O IceCube ocupará um volume de um quilômetro cúbico de gelo e faz uso do mais recentemente usado mensageiro astronômico, o neutrino, para explorar o universo.
Os neutrinos são produzidos pelo decaimento de elementos radiativos e partículas elementares tais como os pions. Diferentemente de outras partículas, os neutrinos são antissociais e difíceis de capturar em um detector. É essa fraca interação entre os neutrinos e a matéria que os torna tão valiosos como mensageiros astronômicos. Diferentemente dos fótons ou partículas carregadas, os neutrinos podem surgir bem de dentro de suas fontes e viajar através do universo sem interferência. Eles não são desviados pelos campos magnéticos interestelares e não são absorvidos pela matéria no meio do caminho. No entanto, essa mesma característica torna os neutrinos cósmicos extremamente difíceis de detectar; instrumentos imensos são necessários para encontrá-los em número suficiente para rastrear sua origem. Embora trilhões de neutrinos atravessem seu corpo a cada segundo, nenhum deles deixará qualquer rastro durante toda a sua vida.
Os cientistas usam grandes volumes de gelo no Polo Sul para espreitar o raro neutrino que colide com um átomo do gelo. Essa colisão produz uma partícula – chamada muon – que emerge dos escombros. No gelo ultra transparente, o muon irradia uma luz azul que é detectada pelos sensores ópticos do IceCube. O muon preserva a direção do neutrino original, apontando para sua fonte cósmica. Detectando essa luz, os cientistas podem reconstruir o trajeto do muon e, portanto, do neutrino. O cenário fica radicalmente complicado pelo fato de que a maior parte dos muons avistados pelo IceCube nada têm a ver com neutrinos cósmicos. Infelizmente, para cada muon vindo de um neutrino cósmico, o IceCube detecta um milhão a mais de muons produzidos por raios cósmicos na atmosfera acima do detector. Para filtrá-los, o IceCube tira vantagem do fato de que os neutrinos interagem muito fracamente com a matéria. Como os neutrinos são as únicas partículas conhecidas que podem passar ilesas pela Terra, o IceCube “enxerga” através da Terra e na direção dos céus do Norte, usando o planeta como filtro para selecionar os neutrinos.
O gelo polar da Antárctica se revelou um meio ideal para a detecção de neutrinos. Ele é excepcionalmente puro, transparente e livre de radioatividade. A mais de um quilômetro abaixo da superfície, a luz azul viaja por cem metros ou mais através do gelo, normalmente escuro. Congelado dentro do gelo, o IceCube será o maior e mais durável detector de partículas do mundo.
IceCube Collaboration
Físicos da UCLA criam a menor lâmpada do mundo
[ UCLA physicists create world’s smallest incandescent lamp ]
Por Mike Rodewald
5/6/2009 1:15:00 PM
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| Concepção artística das duas técnicas usadas para “ver” a lâmpada de nano-tubo de carbono: microscopia com luz visível (em cima) e microscópio eletrônico (ao meio) |
A equipe da UCLA está usando sua minúscula lâmpada para estudar a lei da radiação do corpo negro de Max Planck, que foi enunciada em 1900 usando princípios que, agora sabemos, são pertencentes a ambas as teorias.
Como desviar asteróides e salvar a Terra
North Carolina State University
Talvez você queira agradecer David French em antecipação. Porque, no caso de um cometa ou asteróide ameaçar colidir com a Terra, ele pode ser o cara que salvou o planeta.
French, um doutorando em engenharia aeroespacial na Universidade Estadual da Carolina do Norte, estabeleceu uma maneira de desviar eficientemente asteróides e outros objetos ameaçadores e impedir que eles colidam com a Terra: afixar um longo cabo de reboque e uma carga de lastro no objeto incidente. Afixando o lastro, explica French, “se modifica o centro de massa do objeto, mudando efetivamente sua órbita e permitindo que ele passe pela Terra, em lugar de colidir com ela”.
Parece maluquice? O programa da NASA Near Earth Object já identificou mais de 1000 “asteróides potencialmente perigosos” e acham mais a cada dia. French explica: “Embora não esteja previsto que algum desses objetos vá atingir a Terra em um futuro próximo, pequenas mudanças nas órbitas desses corpos, que podem ser causadas pelo efeito gravitacional de outros objetos, por pressão dos ventos solares ou outro efeito qualquer, pode causar uma interseção”.
Dessa forma, French e o professor associado de Engenharia Mecânica e Aeroespacial da Universidade da NC Andre Mazzoleni, estudaram se um sistema asteróide-cabo-lastro poderia alterar eficazmente o movimento de um asteróide para se assegurar que ele iria errar a Terra. A resposta? Sim.
French diz que “é difícil imaginar a escala tanto do problema, quanto das soluções em potencial. A Terra já foi atingida por objetos vindos do espaço muitas vezes antes, de forma que sabemos quão ruins os efeitos podem ser. Por exemplo, há cerca de 65 milhões de anos, acredita-se que um asteróide muito grande colidiu com a Terra ao Sul do Golfo do México, varrendo os dinossauros, e, em 1907, um pequeno fragmento de um cometa que caiu sobre a Sibéria, arrasou a floresta em uma área do tamanho da cidade de Nova York. A escala de nossa solução também é difícil de imaginar”.
“Usar um cabo de reboque entre 1.000 km (um pouco mais que a distância entre o Rio de Janeiro e Brasília) e 100.000 km (duas vezes e meia a circunferência da Terra) para desviar um asteróide pode parecer algo estranho. Mas compare com os outros esquemas propostos. Todos eles parecem maluquices. Para citar alguns: pintar um dos lados de um asteróide para modificar a influência da luz solar sobre sua órbita; empurrar outro asteróide de encontro ao asteróide ameaçador; e, é claro, armas nucleares. Armas nucleares são uma solução a estudar, mas têm consideráveis obstáculos políticos e técnicos. Será que o resto do mundo vai confiar que os EUA bombardeiem um asteróide? Os EUA confiariam em qualquer outro país? E se o asteróide se quebrasse em vários pedaços e nos desse mais problemas ainda para resolver?”
Pesos pesados cósmicos no “salve-se quem puder”
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A colisão de aglomerados de galáxias mais apinhada jé vista foi identificada, combinando-se as informações de três telescópios diferentes. Isto dá aos cientistas uma oportunidade de ver o que acontece quando alguns dos maiores objetos no universo vão uns contra os outros em um “salve-se quem puder” cósmico.
Usando dados do Observatório Chandra de Raios-X da NASA, do Telescópio Espacial Hubble e do Observatório Keck no Mauna
Kea, Hawaii, os astrônomos conseguiram decifrar a geometria tri-dimensional e os movimentos do sistema MACSJ0717.5+3745 (abreviado: MACSJ0717), localizado a cerca de 5,4 bilhões de anos-luz da Terra.
Os pesquisadores descobriram que quatro aglomerados de galáxias diferentes estão envolvidos em uma colisão tripla — a primeira vez que tal fenômeno é documentado. Aglomerados de galáxias são os maiores objetos ligados pela gravidade no Universo.
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No sistema MACSJ0717, uma faixa de galáxias, gás e matéria escura que se estende por 13 milhões de anos-luz –
que constitui o que se chama de “filamento” – está se derramendo para dentro de um região que já está cheia de galáxias. Como se fosse o fluxo de carros de uma rodovia tentando desaguar em um estacionamento lotado, este fluxo de galáxias causou uma colisão atrás da outra.
Cheng-Jiun Ma da Universidade do Hawaii, principal autor do estudo, disse: “Além desse enorme egavetamento, o sistema MACSJ0717 é também notável por causa de sua temperatura. Como cada uma dessas colisões libera energia na forma de calor, o MACS0717 tem uma das temperaturas mais altas jamais vistas em um sistema como esse”.
Embora o filamento que leva ao MACJ0717 tenha sido descoberto anteriormente, esses resultados mostram, pela primeira vez, que ele é a fonte dessa “carambola” galática. Há dois indícios disso. Primeiro, comparando a posição do gás e dos aglomerados de galáxias, os pesquisadores rastrearam a direção dos movimentos dos aglomerados, a qual coincide com a orientação do filamento na maior parte dos casos. Segundo, a maior região quente no MACSJ0717 fica onde o filamento intercepta o aglomerados, o que sugere a ocorrência de impactos.
O membro da equipe Harald Ebeling, também da Universidade do Hawaii, disse que: “O MACSJ0717 mostra como aglomerados de galáxias gigantes interagem com seu ambiente em escalas de muitos milhões de anos-luz. Este é um sitema particularmente formidável para estudar como os aglomerados de galáxias crescem quando material cai dentro deles ao longo de filamentos”.
Simulações em computador mostram que os maiores super-aglomerados galáticos deveriam crescer em regiões onde filamentos de larga escala, compostos por gás intergalático, galáxias e matéria escura se interceptam e o material cai para dentro ao longo de filamentos.
“É excitante ver como os dados que obtemos a partir do MACSJ0717 parecem coincidir lindamente com o cenário mostrado pelas simulações”, acrescenta Ma.
Dados de múltiplos comprimentos de onda foram cruciais para este trabalho. Os dados ópticos do Hubble e do Keck fornecem informações acreca do movimento e da densidade das galáxias ao longo da linha de visada, mas não acerca de seu curso na perpendicular a essa direção. Combinando os dados ópticos com os de raios-X, os cientistas foram capazes de decifrar a geometria tri-dimensional e os movimentos do sistema.
Ma e sua equipe esperam, futuramente, usar dados ainda mais aprofundados dos raios-X para medir a temperatura do gás ao longo da extensão de 13 milhões de anos-luz do filamento. Ainda resta muito o que aprender acerca das propriedades do gás quente nos filamentos e se sua queda ao longo dessas estruturas pode aquecer significativamente o gás nos aglomerados em largas escalas.
O artigo que descreve esses resultados foi publicado na edição de 10 de março da publicação Astrophysical Journal Letters.
Atualizando: se você quiser um belo “papel de parede” com a imagem dessa colisão, procure no site da NASA: http://www.nasa.gov/multimedia/imagegallery/image_feature_1331.html
