Lentes na escala nanométrica?… Bolhas!
Bolhas, as novas lentes para feixes de luz em nanoescala
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Entortar feixes de luz segundo seus caprichos pode parecer um trabalho para um feiticeiro ou para um complexo trambolho composto por espelhos, lentes e prismas, no entanto umas poucas pequenas bolhas de líquido podem ser tudo que preciso para abrir as portas para uma nova geração de circuitos e mostradores de alta velocidade, segundo os pesquisadores da Penn State.
Para combinar a velocidade da comunicação óptica com a portabilidade dos circuitos eletrônicos, os pesquisadores recorreram à nano-plasmônica – dispositivos que empregam ondas eletromagnéticas curtas para modular a luz na escala de nanômetros, onde a óptica convencional não funciona. No entanto, mirar e focalizar estes feixes de luz modulados para os alvos desejados é algo difícil.
“Existem diferentes dispositivos de estado sólido para controlar (feixes de luz), para ligá-los e desligá-los ou modulá-los, mas as suas manutenção e reconfiguração são muito limitadas”, diz Tony Jun Huang, professor associado de ciências de engenharia e mecânica. “Usar uma bolha apresenta um monte de vantagens”.
E a vantagem principal de uma lente de bolha é exatamente o quão rápido e facilmente os pesquisadores podem reconfigurar posição, tamanho e formato da bolha – todos coisas que afetam a direção e o foco de qualquer feixe de luz que passar através dela.
A equipe de Huang criou simulações separadas dos feixes de luz e das lentes de bolhas para predizer seus comportamentos e otimizar as condições, antes de combinar os dois no laboratório. Suas descobertas foram publicadas em Nature Communications.
Para formar lentes de bolha, os pesquisadores usaram um laser de baixa intensidade para aquecer água sobre uma superfície de ouro. O comportamento óptico da pequena bolha permanece constante, enquanto a potência do laser e a temperatura ambiente continuarem constantes.
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A simples movimentação do laser, ou o ajuste de sua potência, podem modificar a maneira como a bolha irá refratar um feixe de luz, tanto como um feixe de luz concentrado em um alvo específico, como uma onda dispersa. Mudar o líquido também afeta como um feixe de luz será refratado.
Os materiais para formar as lentes de bolha são baratos e as próprias bolhas são fáceis de dissolver, substituir e mover.
“Além de sua capacidade sem precedentes de reconfiguração e facilidade de manutenção, nossa lente de bolha tem ao menos mais uma vantagem sobre suas contra-partes de estado sólido: sua lisura natural”, acrescenta Huang. “Quanto mais lisa for uma lente, melhor será a qualidade da luz que passa através dela”.
Huang acredita que o próximo passo será descobrir como o formato da bolha influencia a direção do feixe de luz e a posição de seu ponto focal. A capacidade de ajuste fino desses feixes de luz permitirá melhoramentos em dispositivos biomédicos em chips e imageamento em resolução superior.
“Para todas essas aplicações, é realmente necessário controlar precisamente a luz em nano-escala e é aí que este trabalho pode ser um componente muito importante”, finaliza Huang.
Chenglong Zhao, doutor associado para ciências de engenharia e mecânica, da Penn State, projetou e conduziu a experiência; Yongmin Liu, professor assistente de engenharia mecânica e industrial, e de engenharia elétrica e de computação da Northeastern University, trabalharam em conjunto com Nicholas Fang, professor associado de engenharia mecânica do MIT, para analisar os resultados e desenvolver simulações; e Yanhui Zhao, estudante de pós-graduação em ciências de engenharia e mecânica da Penn State, fabricou os materiais.
O estudo foi financiado pelos Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciências e o Centro para Ciência em Nano-escala da Penn State.
Diamantes com defeito?… Perfeito!
DOE/Lawrence Berkeley National Laboratory
Diamantes defeituosos prometem sensibilidade perfeita
Pesquisadores do Laboratório Berkeley e seus colegas estendem o spin dos elétrons nos diamantes para fazer detectores magnéticos incrivelmente pequenos
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  IMAGEM: Um centro de vacância de nitrogênio é um tipo de defeito puntual na estrutura cristalina de um diamante, no qual um átomo de nitrogênio fica no lugar de um átomo de carbono e fica uma vaga imediatamente adjacente ao nitrogênio.Clique aqui para mais informações. |
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Desde o cérebro, passando pelo coração e chegando ao estômago, os corpos dos animais geram campos magnéticos fracos que um detector ultra sensível poderia usar para descobrir doenças, rastrear drogas – e, quem sabe?… até ler mentes. Sensores do tamanho da unha do polegar poderiam mapear depósitos de gás no subsolo, analisar substâncias químicas e descobrir explosivos que poderiam se esconder de outras sondas.
Agora os cientistas do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) do Departamento de Energia e da Universidade da California em Berkeley, em conjunto com seus colegas da Universidade Harvard, conseguiram aumentar o desempenho de um dos sensores mais potentes possíveis de campos magnéticos em nanoescala – um defeito em um diamante do tamanho de um par de átomos, chamado um “centro de vacância de nitrogênio” (nitrogen vacancy = NV center).
As descobertas da equipe de pesquisadores pode eventualmente permitir a fabricação de relógios menores que um chip de computador e, ainda assim, precisos até uns poucos quatrilhões de segundo, ou sensores de movimentoa mais rápidos e com maior tolerância a temperaturas extremas do que os giroscópios em smartphones. Não demora muito e um chip barato de diamante pode ser capaz de nuclear um computador quântico. A equipe relata seus resultados em Nature Communications.
Um sensor feito de diamante
Centros de vacância de nitrogênio são um dos defeitos mais comuns em diamantes. Quando um átomo de nitrogênio substitui um átomo de carbono no cristal de diamante e fica emparelhado com um espaço vazio (onde falta um átomo de carbono que devia estar lá), neste centro fica um número de elétrons, soltos dos átomos de carbono que deveriam estar naqueles lugares.
Os estados dos spins dos elétrons são bem definidos e muito sensíveis a campos magnéticos, campos elétricos e luz*, de forma que podem ser facilmente dispostos, ajustados e lidos por lasers.
“Os estados de spin dos centros NV são estáveis ao longo de um amplo espectro de temperaturas, de muito quente a muito frio”, diz Dmitry Budker da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, que também é professor de física da UC Berkeley. Mesmo pequenas lascas de diamante que custam centavos por grama, podem ser usadas como sensores, porque, como afirma Budker, “nós podemos controlar o número de centros NV no diamante apenas os irradiando ou assando”, ou seja, dando-lhes têmpera.
O desafio é manter a informação inerente nos estados de spin do centro NV, uma vez que esta tenha sido lá codificada, sem deixá-la vazar antes que se possa realizar medições: nos centros NV, isso requer a extensão do que é chamado de tempo de “coerência” dos spins dos elétrons, ou seja, o tempo que os spins permanecem sincronizados entre si.
Recentemente Budker trabalhou com Ronald Walsworth de Harvard em uma equipe que incluía Nir Bar-Gill de Harvard e Andrey Jarmola pesquisador pós-doutorado da UC Berkley. Eles conseguiram estender o tempo de coerência de um conjunto de spins de elétrons de um centro NV por mais de duas ordens de magnitude acima das experiências anteriores.
“Para mim, o aspecto mais entusiasmante deste resultado é a possibilidade de estudar as mudanças nas formas com que os centros NV interagem entre si”, diz Bar-Gill, autor principal do artigo e que estará indo para a Universidade Hebraica em Jerusalém no segundo semestre deste ano. “Isto é possível porque os tempos de coerência são muito mais longos do que aquele necessário para as interações entre os centros NV”.
E Bar-Gill acrescenta: “Agora podemos imaginar a engenharia de amostras de diamantes para realizar arquiteturas de computação quântica”. Os centros NV interativos fazem o papel dos bits em computadores quânticos, chamados qubits. Onde um dígito binário (bit) representa um 0 ou 1, um qubit representa 1 e 0 superpostos, um estado tipo “Gato-de-Schrödinger” simultâneo que persiste enquanto os estados forem coerentes, até que uma medição seja feita e faça colapsar todos os qubits emaranhados de uma só vez.
“Nós empregamos alguns truques para nos livrarmos de fontes de descoerência”, diz Budker. “Um deles foi usar amostras de diamante especialmente preparadas para serem feitas apenas de puro carbono-12”. Os diamantes naturais incluem uma pequena quantidade do isótopo carbono-13, cujo spin nuclear acelera a descoerência dos spins dos elétrons dos centros NV. O carbono-12 tem um spin nuclear zero.
“O outro truque foi baixar a temperatura até a do nitrogênio líquido”, diz Budker. A descoerência foi reduzida pelo resfriamento das amostras a 77°K, abaixo da temperatura ambiente, mas facilmente obtenível.
Trabalhando em conjunto no laboratório de Budker, os membros da equipe montaram os diamantes dentro de um criostato. Um feixe de laser atravessando o diamante, conjugado com um campo magnético, ajustou os spins dos elétrons no centro NV e os fez emitir fluorescência. O brilho fluorescente foi a medida da coerência dos estados de spin.
“Controlar o spin é essencial”, explica Budker, “de forma que pegamos emprestada uma ideia da ressonância magnética nuclear” – a base de procedimentos familiares como o Imageamento por Ressonância Magnética (MRI) nos hospitais.
Embora seja diferente do spin nuclear, a coerência dos spins dos elétrons pode ser estendida com técnicas semelhantes. Assim, quando os estados dos spins nos centros NV chegavam à beira da descoerência, os pesquisadores chacoalhavam o diamante com uma série de até 10.000 curtos pulsos de micro-ondas. Os pulsos invertiam os spins dos elétrons quando começavam a perder o sincronismo mútuo, produzindo “ecos” nos quais os spins invertidos se auto-ajustavam. A coerência era re-estabelecida.
Eventualmente os pesquisadores conseguiram tempos de coerência de spin de mais de meio segundo. “Nossos resultados são realmente brilhantes para o sensoreamento de campos magnéticos e informação quântica”, brinca Bar-Gill.
Longos tempos de coerência de spin se soma às vantagens que os diamantes já têm, colocando os NVs de diamantes na vanguarda dos potenciais candidatos para computadores quânticos práticos – uma busca favorita dos pesquisadores de Harvard. O que o grupo de Budker acredita ser uma perspectiva ainda mais interessante é o potencial que os longos tempos de coerência apresentam no sensoreamento de campos magnéticos, com aplicações que vão da biofísica à defesa.
“Solid-state electronic spin coherence time approaching one second”, por Nir Bar-Gill, Linh M. Pham, Andrey Jarmola, Dmitry Budker e Ronald L. Walsworth,será publicado na edição de 23 de abril de 2013 da Nature Communications, online em http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2771.html.
Nota do tradutor: [*] Considerando que os fótons – as partículas de luz, não só a visível, mas todas as frequências – são portadores dos campos elétricos e magnéticos, é claro que se algo é sensível aos campos elétricos e magnéticos terá que ser sensível à luz… Enfim…
Mandando a luz para onde ela deve ir
Os físicos encontraram a solução para a óptica on-chip
Roteador em nano-escala converte e direciona com eficiência sinais ópticos
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Cambridge, Massachusetts. – 22 de abril de 2013 – Uma equipe de pesquisadores com base em Harvard criou um novo tipo de nano-dispositivo que converte um sinal óptico em ondas que se propagam ao longo de uma superfície de metal. A característica mais significativa deste dispositivo é que ele pode reconhecer tipos específicos de luz polarizada e, segundo essa polarização, enviar o sinal em uma determinada direção.
A descoberta, publicada na edição de 19 de abril da Science, dá uma nova maneira para manipular precisamente a luz na escala abaixo do comprimento de onda, sem danificar um sinal que pode transportar dados. Isto abre as portas para uma nova geração de interconexões ópticas em chips que podem canalizar informações de dispositivos ópticos para dispositivos eletrônicos.
“Se quisermos enviar um sinal de dados para todos os lados de um pequeno chip com vários componentes, precisamos ser capazes de controlar precisamente para onde o sinal vai”, explica Balthasar Müller, principal co-autor do artigo e estudante de pós-graduação na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (School of Engineering and Applied Sciences = SEAS) em Harvard. “Se o sinal não for bem controlado, a informação se perde. A direcionalidade é um fator extremamente importante”.
O acoplador transforma a luz incidente em um tipo de onda chamado polariton plasmon de superfície, uma ondulação superficial no mar de elétrons que existe nos metais.
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Antigamente já era possível controlar a direção dessas ondas, mudando-se o ângulo de incidência da luz sobre o acoplador, porém, como coloca Müller, “Isso era uma grande maçada. Circuitos ópticos são muito difíceis de alinhar, de modo que reajustar os ângulos para rotear o sinal não era uma solução prática”.
Com o novo acoplador, a luz só precisa incidir perpendicularmente e o dispositivo faz o resto. Atuando como um controlador de tráfego, ele lê a polarização da onda de luz incidente – que pode ser linear, circular destrógira, ou circular levógira – e a roteia de acordo com isso. O dispositivo pode até dividir um feixe de luz e enviar partes dele em diferentes direções, permitindo a transmissão da informação em vários canais.
O acoplador consiste de uma fina folha de ouro, salpicada de pequenas perfurações. Porém, é no preciso padrão formado pelas fendas, dispostas como espinhas de peixe, onde reside a genialidade.
“A solução mais empregada até agora era uma série de ranhuras paralelas, conhecidas como gradil, que funciona, mas perde uma grande parte do sinal no processo”, explica o principal pesquisador Federico Capasso, Professor “Robert L. Wallace” de Física Aplicada e Pesquisador Associado Sênior “Vinton Hayes” de Engenharia Elétrica na SEAS de Harvard. “Talvez agora nossa solução seja a mais empregada. Ela torna possível controlar a direção dos sinais de maneira simples e elegante”.
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Uma vez que a nova estrutura é tão pequena — cada uma das unidades que se repetem é menor do que o comprimento de onda da luz visível — os pesquisadores acreditam que será fácil incorporá-la em novas tecnologias, tais como óptica plana.
Porém Capasso fala animadamente acerca das possibilidades de incorporar o novo acoplador em futuras redes de informação de alta velocidade que podem combinar eletrônica em nano-escala com elementos ópticos e plasmônicos em um único microchip.
“Isto gerou um grande entusiasmo neste campo”, conclui Capasso.
Müller e Capasso tiveram a colaboração do co-autor principal Jiao Lin, um antigo doutor pesquisador da SEAS que agora está no Instituto de Tecnologia de Manufatura de Singapura; e dos co-autores Qian Wang e Guanghui Yuan, da Universidade Tecnológica Nanyang, Singapura; Nicholas Antoniou, Principal Engeneheiro FIB no Centro Harvard de Sistemas em Nano-escala; e Xiao-Cong Yuan, professor do Instituto de Óptica Moderna na Universidade Nankai na China.
Nano-fios e energia solar
University of Copenhagen – Niels Bohr Institute
Nano-fios para células solares aumentam o limite de eficiência
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A imagem mostra, da esquerda para a direita, imagens de cristal de arseniato de gálio sobre um substrato de silício, tiradas com um SEM (Scaning Electron Microscope), uma de um único fio, tirada com um TEM (Transmission Electron Microscope) e as colunas de átomos, flagradas por um STEM (Scanning Transmission Electron Microscope) |
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Os cientistas do Centro de Nano-Ciência do Niels Bohr Institut, Dinamarca, e da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça, mostraram como um único nano-fio pode concentrar a luz do Sol até 15 vezes mais do que a intensidade normal da luz solar. Estes resultados são surpreendentes e têm um grande potencial para desenvolver um novo tipo de célula solar de alta eficiência.
Devido a algumas propriedades físicas particulares apresentadas pelos nano-fios em absorver a luz, o limite de quanta energia dos raios solares pode ser utilizada acaba sendo maior do que se pensava antes. Estes resultados demonstram o grande potencial de desenvolvimento de células solares com base em nano-fios, diz o PhD Peter, sobre a surpreendente descoberta descrita em um artigo na Nature Photonics.
Os grupos de pesquisas estudaram nos últimos anos como desenvolver e melhorar a qualidade dos cristais de nano-fios que são estruturas cilíndricas com um diâmetro de cerca um décimo-milésimo de um cabelo humano. Acredita-se que os nano-fios terão um grande potencial não só no desenvolvimento de células solares, como também nos futuros computadores quânticos e outros produtos eletrônicos.
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Acontece que os nano-fios naturalmente concentram os raios de Sol em uma área muito pequena do cristal, até um fator de 15 vezes. Como o diâmetro do nano-fio é menor que o comprimento de onda da luz solar, isto causa ressonâncias na intensidade da luz dentro e em torno dos nano-fios. Desta forma, as ressonâncias podem fornecer uma luz solar concentrada para a conversão na energia desejada, o que pode ser usado para obter uma maior eficiência na captação da energia solar, explica Peter Krogstrup.
Um novo limite de eficiência
O típico limite de eficiência – o assim chamado “Limite de Shockley-Queisser” – é um limite que, por muitos anos, tem sido um marco de referência para a eficiência de células solares para os pesquisadores. Porém, agora, parece que esse limite pode ser superado.
“Para um pesquisador é entusiasmante poder mover um limite teórico, como todos sabem. Embora não pareça muito que o limite seja aumentado em alguns pontos percentuais, isso terá um grande impacto no desenvolvimento de células solares, na exploração de raios solares com nano-fios e talvez na extração de energia a nível internacional. No entanto, serão necessários alguns anos até que a produção [industrial] de células solares feitas com nano-fios se torne uma realidade”, declara Peter Krogstrup que acabou de completar seu PhD no Instituto Niels Bohr da Universidade de Copenhagen.
A pesquisa foi (e continua sendo) realizada em colaboração com o Laboratório de Materiais Semicondutores da Escola Politécnica Federal de Lausanne e a Fundação e a companhia SunFlake A / S. A presente descoberta corrobora os resultados publicados na Science em janeiro. Aqui, um grupo de pesquisadores de Lund, mostraram que os raios de Sol eram chupados para dentro dos nano-fios, devido à grande quantidade de energia que sua célula solar produzia.
Driblando a incerteza quântica (2)
Dando a volta no Princípio da Incerteza
Físicos realizam as primeiras medições diretas dos estados de polarização da luz
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Pesquisadores da Universidade de Rochester e da Universidade de Ottawa aplicaram uma técnica recentemente desenvolvida para medir diretamente pela primeira vez os estados de polarização da luz. Seu trabalho ao mesmo tempo suplanta os importantes desafios impostos pelo famoso Princípio da Incerteza de Heisenberg, como também é aplicável aos qubits, as unidades da teoria da informação quântica.
Seus resultados são relatados em um artigo na edição desta semana da Nature Photonics.
A técnica de medição direta foi inicialmente desenvolvida em 2011 pelos cientistas do Conselho Nacional de Pesquisas do Canadá (National Research Council) para medir a função de onda – uma maneira de estabelecer o estado de um sistema quântico.
Essa medição direta da função de onda sempre pareceu impossível por causa de um dos fundamentos do princípio da incerteza – a ideia de que certas propriedades de um sistema quântico só podem ser conhecidas de maneira vaga, se outras propriedades relacionadas forem conhecidas com precisão. A capacidade de realizar tais medições diretamente desafia diretamente a ideia de que uma completa compreensão de um sistema quântico jamais poderia decorrer de uma observação direta.
Os pesquisadores em Rochester/Ottawa, liderados por Robert Boyd, que desempenha funções em ambas universidades, mediu os estados de polarização da luz – as direções nas quais os campos elétrico e magnético da luz oscilam. Seu principal resultado, tal como o da equipe pioneira na medição direta, é que é possível medir variáveis chave relacionadas, conhecidas como “variáveis conjugadas”, de uma partícula ou estado quântico diretamente. Os estados de polarização da luz podem ser usados para codificar informação e exatamente por isso podem ser a base dos qubits nas aplicações de informação quântica.
“A capacidade de realizar medições diretas da função de onda quântica tem importantes implicações futuras para a ciência da informação quântica”, explica Boyd, Catedrático de Óptica Quântica Não-linear Canada Excellence Research da Universidade de Ottawa e Professor de Óptica e Física na Universidade de Rochester. “O trabalho corrente de nosso grupo envolve aplicar esta técnica a outros sistemas, por exemplo, medir a forma de um estado quântico “misturado” (o oposto a um estado “puro”)”.
Anteriormente, uma técnica chamada tomografia quântica permitiu aos pesquisadores medir a informação contida nesses estados quânticos, porém somente de maneira indireta. A tomografia quântica necessita de uma grande quantidade de pós-processamento dos dados e isto é um processo demorado, não necessário na técnica de medição direta. Em outras palavras, em princípio, a nova técnica fornece a mesma informação que a tomografia quântica, porém em um tempo significativamente menor.
“A chave para a caracterização de qualquer sistema quântico é reunir informações sobre as variáveis conjugadas”, declara o co-autor Jonathan Leach, atualmente um palestrante da Universidade Heriot-Watt, no Reino Unido. “A razão pela qual se pensava ser impossível medir duas variáveis conjugadas diretamente é porque medir uma causaria o colapso da função de onda antes que se pudesse medir a outra”.
A técnica de medição direta emprega um “truque” para medir a primeira propriedade de forma tal que não há perturbação significativa do sistema e a informação da segunda propriedade pode ainda ser obtida. Esta medição cuidadosa consiste em uma “medição fraca” da primeira propriedade, seguida de uma “medição forte” da segunda propriedade.
Esta medição fraca, descrita há 25 anos, requer que o acoplamento entre o sistema e o medidor seja, como o nome sugere, “fraco” o que significa que o sistema quase não seja perturbado pelo processo de medição. O lado ruim deste tipo de medição é que uma única medição fornece somente uma pequena quantidade de informação e, para conseguir uma leitura precisa, o processo tem que ser repetido várias vezes a partir do que se obtêm uma média dos resultados.
Boyd e seus colegas usaram a posição e o momento da luz como indicadores do estado de polarização. Para acoplar a polarização ao grau de liberdade espacial, eles usaram cristais bi-refringentes: quando a luz passa através de um cristal desses, é introduzida uma separação espacial entre polarizações diferentes. Por exemplo, se a luz for composta de uma combinação de componentes polarizados vertical e horizontalmente, as posições dos componentes individuais vão se separar quando eles passarem através do cristal conforme suas polarizações. A espessura do cristal pode ser usada para controlar a força da medição, fraca ou forte, e estabelecer o grau de separação correspondente, pequeno ou grande.
Nesta experiência, Boyd e seus colegas passaram a luz polarizada através de dois cristais de diferentes espessuras: o primeiro, um cristal muito fino que media “fracamente” os estados de polarização vertical e horizontal; o segundo, um cristal muito mais espesso que media “fortemente” o estado de polarização diagonal e anti-diagonal. Como a primeira medição era “fraca”, o sistema não era perturbado de maneira significativa e, dessa forma, a informação obtida pela segunda medição ainda era válida. Este processo é repetido várias vezes para a obtenção de um resultado estatisticamente significativo. Reunindo tudo, se tem uma caracterização completa e direta dos estados de polarização da luz.
Os demais autores do artigo são Jeff Z. Salvail, Megan Agnew e Allan S. Johnson, todos estudantes da Universidade de Ottawa quando a pesquisa foi realizada e o estudante de pós-graduação de Ottawa, Eliot Bolduc.
Este trabalho foi financiado pelo Programa Canada Excellence Research Chairs (CERC) e Boyd também reconhece o apoio do Programa DARPA InPho.
Driblando a incerteza quântica
Truques quânticos com medições
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Uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck, Áustria, realizou uma experiência que parece contradizer os fundamentos da teoria quântica – à primeira vista. A equipe, liderada por Rainer Blatt, reverteu uma medição quântica em um protótipo de processador de informação quântico. A experiência foi possibilitada por uma técnica que foi desenvolvida para a correção de erros quânticos em um futuro computador quântico.
As medições em sistemas quânticos têm intrigado gerações de físicos devido a suas propriedades contraintuitivas. Uma delas é o fato de que medições em um sistema quântico são, de modo geral, não determinísticas. Isso quer dizer que, mesmo que o estado do sistema seja completamente conhecido, é impossível prever o resultado de uma única medição. Além disso, a medição altera o estado do sistema, de forma que uma medição posterior certamente vai dar o mesmo resultado da primeira medição. Em outras palavras, a primeira medição altera irreversivelmente o sistema.
Em sua recente experiência, os cientistss demonstraram que é possível reverter uma medição com o auxílio de um protocolo de correção de erro quântico. Isto aparentemente contradiz os fundamentos da teoria quântica que proíbe explicitamente a reversão de uma medição quântica. Porém, uma olhadela mais detalhada torna fácil a solução deste enigma: a equipe de Philipp Schindler transfere a informação pertinente a uma única partícula para um estado emaranhado que consiste de três partículas. Se agora uma partícula individual for medida, seu estado original pode ser reconstruído a partir das informações que residem nas duas outras partículas restantes, o que não contraria as leis da mecânica quântica.
Artigo publicado: Undoing a quantum measurement. Philipp Schindler, Thomas Monz, Daniel Nigg, Julio T. Barreiro, Esteban A. Martinez, Matthias F. Brandl, Michael Chwalla, Markus Hennrich, Rainer Blatt. Physical Review Letters 110, 070403 (2013). DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.070403 (http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.070403)
Para alguma coisa os neutrinos servem: transmissão de mensagens
Pesquisadores enviam mensagem “sem fio” usando neutrinos (através de rocha sólida)
Um grupo de cientistas, liderados por pesquisadores das Universidades de Rochester e Estadual da Carolina do Norte, enviaram, pela primeira vez, uma mensagem utilizando um feixe de neutrinos – aquelas partículas quase sem massa e que viajam quase à velocidade da luz. A mensagem foi enviada através de 240 metros de rocha e dizia simplesmente: “neutrino”.
“Com o uso de neutrinos, seria possível a comunicação entre quaisquer dois pontos da Terra sem o uso de satélites ou cabos”, diz Dan Stancil, professor de engenharia elétrica e de computação da NC State e autor principal de um artigo que descreve a pesquisa. “Os sistemas de comunicações por neutrinos teriam que ser muito mais complexos do que os atuais, mas podem ter importantes usos estratégicos”.
Diversas pessoas já teorizaram acerca da possibilidade de empregar os neutrinos em comunicações por causa de uma propriedade particularmente valiosa destes: eles podem atravessar quase qualquer coisa que esteja em seu caminho.
Se essa tecnologia fosse aplicada a submarinos, por exemplo, eles poderiam se comunicar por longas distâncias, mesmo submersos, o que é muito difícil, para não dizer impossível, com a atual tecnologia. E, se quiséssemos nos comunicar com algo no espaço exterior que estivesse no lado oculto da Lua ou de outro planeta, nossa mensagem poderia ser enviada diretamente através do corpo celeste sem qualquer impedimento.
“É evidente que nossa atual tecnologia faz uso de enormes equipamentos de alta tecnologia para enviar uma mensagem por meio de neutrinos, de forma que ainda não é algo prático”, diz Kevin McFarland, um professor de física da Universidade de Rochester que não esteve envolvido na experiência. “Mas o primeiro passo na direção de algum dia empregar neutrinos para comunicação de forma prática, é uma demonstração que se valha da tecnologia existente”.
A equipe de cientistas que demonstraram que isso é possível, realizou seus testes no Fermi National Accelerator Lab (conhecido como Fermilab), nas cercanias de Chicago. O grupo apresentou suas descobertas à publicação Modern Physics Letters A.
No Fermilab os pesquisadores têm acesso a dois componentes cruciais. O primeiro é um dos mais poderosos aceleradores de partículas do mundo que cria feixes de neutrinos de alta intensidade, acelerando prótons em redor de uma circunferência de 2,5 milhas e os fazendo colidir com um alvo de carbono. O segundo é um detector de muitas toneladas chamado MINERvA, localizado em uma caverna a 100 metros abaixo do solo..
O fato de um aparato tão gigantesco ser necessário para a comunicação por meio de neutrinos, significa que ainda é necessário muito trabalho, antes que a tecnologia possa assumir uma forma de uso prático.
O teste de comunicações foi realizado durante um período de duas horas quando o acelerador estava funcionando a meia potência, devido a um período de desligamento programado. Os dados de interação regularmente detectados por MINERvA foram coletados ao mesmo tempo que o teste de comunicação era realizado.
Atualmente, a maior parte das comunicações é realizada pelo envio e recepção de ondas eletro-magnéticas. É assim que nossos rádios, celulares e televisões funcionam. No entanto, as ondas eletro-magnéticas não atravessam facilmente a maior parte da matéria. Elas são bloqueadas pela água, pelas montanhas e vários outros líquidos e sólidos. Por outro lado, os neutrinos atravessam regularmente os planetas sem serem perturbados.
Por causa de sua carga eletromagnética neutra e massa quase nula, os neutrinos não estão sujeitos à atração magnética e não sofrem uma influência significativa da gravidade, de forma que se movem virtualmente sem impedimentos.
A mensagem que os cientistas enviaram com o uso de neutrinos foi em código binário. Em outras palavras, a palavra “neutrino” foi representada por uma série de 1’s e 0’s; os 1’s correspondendo a um grupo de neutrinos disparados e os 0’s à ausência de neutrinos. Os neutrinos foram disparados em enormes grupos porque, mesmo com um detector de várias toneladas, eles são tão elusivos que apenas um em cada dez bilhões de neutrinos são detectados. Depois que os neutrinos eram detectados, um computador na outra extremidade traduzia o código binário de volta ao inglês e a palavra “neutrino” foi recebida com sucesso.
“Os neutrinos tem se constituído em uma ferramenta excepcional para nos ajudar a aprender acerca do funcionamento do núcleo [atômico] e do universo”, disse Deborah Harris, gerente do projeto Minerva, “mas a comunicação por meio de neutrinos ainda tem um longo caminho pela frente até ser eficaz”.
Minerva é uma colaboração internacional de físicos nucleares e de partículas de 21 instituições que estudam o comportamento dos neutrinos, usando um detector localizado no Fermilab, perto de Chicago. Esta foi a primeira experiência no mundo a usar um feixe de alta intensidade para estudar as reações dos neutrinos com núcleos de cinco diferentes tipos de material alvo, criando, pela primeira vez, uma comparação lado a lado dessas interações. Isso auxiliará a completar o quadro dos neutrinos e permitir que os dados seja interpretados de maneira mais clara em experiências correntes e futuras.
