Quasipartículas imortais renascem das próprias cinzas

Com informações da TUM - 02/07/2019

Fortes interações fazem com que as quasipartículas sejam autênticas fênix quânticas. 
[Imagem: K. Verresen/TUM]

Imortalidade na matéria

O ditado popular diz que nada dura para sempre. As leis da física parecem confirmar isso: em nosso planeta, todos os processos aumentam a entropia, ou seja, a desordem molecular. Por exemplo, um vidro quebrado nunca mais se recompõe.

Mas os ditados - e as teorias - também não parecem conseguir escapar desse destino inexorável.

Físicos da Universidade Técnica de Munique e do Instituto Max Planck para a Física de Sistemas Complexos, na Alemanha, descobriram que coisas que parecem inconcebíveis no mundo cotidiano são possíveis no nível microscópico, onde reina soberana a mecânica quântica.

"Até agora, a suposição era que as quasipartículas em sistemas quânticos interagentes decaem após um certo tempo. Agora sabemos que é exatamente o oposto: Interações fortes podem até mesmo parar completamente o decaimento," explica o professor Frank Pollmann.

Vibrações coletivas das redes atômicas dos cristais, os chamados fônons, são um exemplo dessas quasipartículas. E, ao "reviver", elas se mantêm indefinidamente, numa aparente "imortalidade".

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Quasipartículas eternas

O conceito de quasipartículas foi cunhado pelo físico e ganhador do prêmio Nobel Lev Davidovich Landau. Ele usou a ideia para descrever estados coletivos de muitas partículas, ou melhor, suas interações devido a forças elétricas ou magnéticas. Devido a essas interações, várias partículas acabam se comportando como se fossem uma única - uma quasipartícula.

"Até agora, não se conhecia em detalhes quais processos influenciam o destino dessas quasipartículas em sistemas interativos," disse Pollmann. "Só agora contamos com métodos numéricos com os quais podemos calcular interações complexas, bem como computadores com desempenho elevado o suficiente para resolver essas equações."

Foram os resultados dessas simulações computadorizadas que surpreenderam: as quasipartículas não só podem sobreviver à destruição inexorável que espreita todas as coisas materiais, como parecem ser até mesmo capazes de renascer das próprias cinzas, como uma fênix, criando sua própria versão de "imortalidade".

"O resultado dessa elaborada simulação é o seguinte: As quasipartículas de fato decaem; no entanto, novas entidades de partículas idênticas emergem dos destroços. Se este decaimento ocorre muito rapidamente, uma reação inversa ocorrerá após um determinado tempo e os detritos convergirão novamente. Esse processo pode ocorrer de forma infinita, e uma oscilação sustentada entre decadência e renascimento emerge," explica o pesquisador Ruben Verresen, principal responsável pela descoberta.

Do ponto de vista físico, essa oscilação é uma onda que se transforma em matéria, o que é possível de acordo com a dualidade onda-partícula da mecânica quântica. Portanto, as quasipartículas imortais não transgridem a Segunda Lei da Termodinâmica - sua entropia permanece constante, a decadência é simplesmente interrompida.

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O "renascimento" das partículas é possível porque a onda vira matéria, algo possível graças à conhecida dualidade partícula-onda. 
[Imagem: Verresen et al. - 10.1038/s41567-019-0535-3]

A verificação da realidade

Este resultado um tanto surpreendente explica fenômenos que eram desconcertantes até agora.

Medições feitas por físicos experimentais mostraram que o composto magnético Ba3CoSB2O9 é surpreendentemente estável. Agora se pode dizer que são as quasipartículas magnéticas, os magnons, as responsáveis por essa estabilidade. Outras quasipartículas, os rotons, asseguram que o hélio, que é um gás na superfície da Terra, se torne um superfluido no zero absoluto, podendo então fluir sem restrições.

"Nosso trabalho é puramente pesquisa básica," enfatiza o professor Pollmann.

No entanto, é perfeitamente possível que um dia esses resultados permitam aplicações práticas, por exemplo, a construção de memórias de dados duráveis para futuros computadores quânticos.

Bibliografia:

Artigo: Avoided quasiparticle decay from strong quantum interactions
Autores: Ruben Verresen, Roderich Moessner, Frank Pollmann
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-019-0535-3

Fonte: Inovação Tecnológica 

https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=quasiparticulas-imortais-renascem-proprias-cinzas&id=010165190702#.XTD36uhKjIU

NIÓBIO: SALVAÇÃO OU PROMESSA BRASILEIRA DO SÉCULO 21?

O nióbio foi descoberto, em 1801, pelo químico inglês Charles Hatchett (1765-1847). Ele investigava minerais no Museu Britânico, quando se interessou por um mineral de aparência escura com listras douradas, proveniente da colônia de Connecticut, nos Estados Unidos. Depois de procedimentos químicos, Hatchett concluiu que a amostra era formada por um novo elemento químico que chamou colúmbio (Cb), homenagem à origem norte-americana do mineral ‒à época, poetas ingleses se referiam aos EUA como Colúmbia.

Em 1809, outro químico inglês, William Hyde Wollaston(1776-1828), afirmou (erroneamente) que os elementos químicos colúmbio e tântalo eram um só. Esse equívoco só foi desfeito mais tarde pelo francês Jean-Charles de Marignac (1817-1894), provando que colúmbio e tântalo eram elementos diferentes.

Marignac concluiu ainda que colúmbio, nióbio e pelópio ‒ estes dois últimos anunciados, em 1844, como distintos, pelo químico alemão Heinrich Rose (1795-1864) ‒ eram o mesmo elemento químico.

Os dois nomes (colúmbio e nióbio) foram usados por anos. Apenas em 1951, a União Internacional de Química Pura e Aplicada tornou ‘nióbio’o nome oficial para designar o elemento químico de número atômico 41 ‒ ou seja, com 41 prótons em seu núcleo atômico ‒ da Tabela Periódica.

Ana Paula Marques, Guilherme Camelier Almeida, José C. Barros, Pamella Moreira Monte, Renan Oliveira Bastos, Robson de Souza Monteiro e Tiago Lima da Silva

Instituto de Química,
Universidade Federal do Rio de Janeiro

Disponível em: http://cienciahoje.org.br/artigo/niobio-salvacao-ou-promessa-brasileira-do-seculo-21/

Teletransporte dentro de um diamante simplifica esse fenômeno intrigante

A estrutura cristalina do diamante contém um centro de vacância de nitrogênio. Um isótopo de carbono (verde) é primeiro entrelaçado com um elétron (azul) na vacância, que então espera por um fóton (vermelho) para absorver, resultando na transferência do estado do fóton para o núcleo de carbono. 
[Imagem: Yokohama National University]

Teletransporte "simples"

Pesquisadores japoneses teletransportaram informações quânticas com segurança - dentro de um diamante.

O teletransporte já se tornou uma tecnologia padrão no campo da computação quântica, movendo de um lugar para outro até mesmo operações lógicas inteiras, e não apenas dados.

"O teletransporte quântico permite a transferência de informações quânticas para um espaço de outra forma inacessível. Ele também permite a transferência de informações para uma memória quântica sem revelar e sem destruir a informação quântica armazenada," descreveu o professor Hideo Kosaka, da Universidade Nacional de Yokohama.

A demonstração da equipe japonesa tem implicações importantes para a tecnologia da informação quântica, é claro, mas é a "simplicidade" do experimento - o mecanismo quase direto de funcionamento - que chama a atenção, revelando muito sobre os segredos deste fenômeno ainda pouco compreendido.

Qubits de nitrogênio

O espaço inacessível ao qual o professor Kosaka se refere está no interior do diamante. Um diamante é feito de átomos de carbono interconectados de uma maneira característica, mas individualmente contidos. Cada átomo de carbono contém seis prótons e seis nêutrons em seu núcleo, cercados por seis elétrons em constante movimento. À medida que os átomos de carbono se ligam em um diamante, eles formam uma rede incrivelmente forte, ao contrário do modo como os mesmos átomos de carbono se ligam para formar o grafite.

Mas os diamantes podem ter defeitos. O mais famoso deles ocorre quando um átomo de nitrogênio ocupa uma de duas vagas adjacentes, onde deveria haver dois átomos de carbono, mas não há. Esse defeito é chamado de centro de cor, ou vacância de nitrogênio.

Cercado por átomos de carbono, a estrutura do núcleo do átomo de nitrogênio cria uma espécie de nanoímã. É esse nanomagneto que vem sendo explorado como qubit em uma das principais abordagens da computação quântica - ao lado dos qubits supercondutores, dos qubits moleculares, dos qubits iônicos e dos qubits no silício.

O que a equipe fez foi pegar o dado guardado em uma vacância de nitrogênio e transportá-lo dentro da mesma estrutura no interior do diamante. Isso é essencial para enfileirar os diversos qubits necessários para um computador quântico prático ou para transferir suas informações para o mundo externo.

Protocolo de um repetidor quântico unidirecional com um centro de cor em cada nó. Um fóton é emitido de um nó (esquerda), deixando um elétron entrelaçado com o fóton emitido. O sucesso do armazenamento de fótons no outro nó (direita) estabelece o entrelaçamento entre dois nós adjacentes.
[Imagem: 10.1038/s42005-019-0158-0]

Como funciona o teletransporte quântico

Para manipular um elétron e um isótopo de carbono na vacância, a equipe usou um fio de cerca de um quarto da largura de um fio de cabelo humano para aplicar micro-ondas e ondas de rádio, gerando um campo magnético oscilante ao redor do diamante. O feixe de micro-ondas foi ajustado para criar as condições ideais e controladas para a transferência da informação quântica, "imunizando" o sistema contra ruídos externos.

Usando as micro-ondas e as ondas de rádio, o spin do elétron foi forçado a se entrelaçar com o spin nuclear de carbono. O spin do elétron se perde sob um campo magnético criado pelo nanomagneto de nitrogênio, permitindo que ele se torne suscetível ao entrelaçamento quântico - ou emaranhamento.

Uma vez que as duas partes estão entrelaçadas, ou seja, suas características físicas estão tão interligadas que não podem ser descritas individualmente, um fóton que contém uma informação quântica é aplicado, e o elétron absorve o fóton, "lendo" a informação.

Como o elétron e o núcleo estão entrelaçados, assim que o dado do fóton é recebido pelo elétron, ele ativa instantaneamente o núcleo de carbono, demonstrando um teletransporte de informações no nível quântico.

Repetidor quântico

Parece um experimento simples, mas o sistema compõe um repetidor quântico, capaz de receber partes individuais de informações - os bits - e repassá-los de nó a nó de uma rede, que pode expandir-se por todos os qubits disponíveis a qualquer distância.

"Nosso objetivo final é construir repetidores quânticos escaláveis para comunicações quânticas de longa distância e computadores quânticos distribuídos para a computação quântica em grande escala e para metrologia," resumiu o professor Kosaka.

• Um choque de realidade na computação quântica

Bibliografia:

Artigo: Quantum teleportation-based state transfer of photon polarization into a carbon spin in diamond
Autores: Kazuya Tsurumoto, Ryota Kuroiwa, Hiroki Kano, Yuhei Sekiguchi, Hideo Kosaka
Revista: Nature Communications Physics
Vol.: 2, Article number: 74
DOI: 10.1038/s42005-019-0158-0

SITE INOVAÇÃO TECNOLÓGICA. Teletransporte dentro de um diamante simplifica esse fenômeno intrigante. 12/07/2019. Online. Disponível em www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=teletransporte-dentro-diamante-simplifica-esse-fenomeno-intrigante. Capturado em 12/07/2019. 

O que é a barreira do som?

Avião supersônico atropela as ondas sonoras emitidas por ele mesmo, provocando um grande estrondo

Por Redação Mundo Estranho

access_time4 jul 2018, 20h17 - Publicado em 18 abr 2011, 19h00

O som se propaga no ar em ondas concêntricas, como faz uma pedra ao cair em um lago. A barreira do som é o limite de velocidade em que um avião pode se deslocar no ar sem atropelar as ondas sonoras emitidas por ele mesmo. A velocidade do som no ar é de 340 metros por segundo (1 200 km/h), aproximadamente. À medida que o avião acelera, essas ondas vão se juntando e ficando como que empilhadas à sua frente, como uma série de barbantes entrelaçados. Quando o avião finalmente consegue superar a velocidade das ondas, rompe esse cordão imaginário. “No momento em que a velocidade do som é ultrapassada, ouve-se um estrondo. É a isso que chamamos romper a barreira do som”, diz o físico Carlos Luengo, da Unicamp.

Uma vez rompida a barreira, não há mais estrondos, pois, embora as frentes de ondas continuem a se propagar, elas vão ficando para trás e o vôo prossegue totalmente silencioso. O primeiro vôo supersônico foi realizado em 14 de outubro de 1947, pelo americano Chuck Yeager, pilotando um Bell X-1. De acordo com Luengo, os primeiros aviões a ultrapassar a barreira faziam isso em queda livre.

Ultrapassagem trovejante

Avião supersônico atropela as ondas sonoras emitidas por ele mesmo, provocando um grande estrondo

1. As ondas sonoras se propagam de forma concêntrica

2. À medida que se amplia a velocidade do avião, o ruído também aumenta, pois as ondas vão se achatando

3. Quando a nave finalmente atinge a mesma velocidade que o som, ouve-se um estrondo, sinal de que foi rompida a barreira

Neste vídeo, é possível conferir o estrondo e a explicação da barreira de ar que se forma quando isso acontece:

Fonte: Super Interessante

https://super.abril.com.br/mundo-estranho/o-que-e-a-barreira-do-som/

Curativo com pele de tilápia desenvolvido pela UFC será enviado ao espaço pela Nasa

Material passará por testes em órbita para analisar como se comporta em diferentes condições de pressão atmosférica, radiação e gravidade.

Amostras da pele de tilápia serão enviadas ao espaço pela NASA para passar por testes em órbita. — Foto: Saulo Roberto/Sistema Verdes Mares

Amostras do curativo com pele de tilápia, desenvolvidas em uma ampla pesquisa da Universidade Federal do Ceará (UFC), serão enviadas ao espaço pela Agência Espacial Norte-americana (NASA). A iniciativa permitirá que o material biológico da pele do peixe, utilizado principalmente na reconstrução da pele humana em casos de queimadura, passe por testes em órbita. A ação faz parte do projeto Cubes in Space (Cubos no Espaço) e tem como objetivo analisar como a pele de tilápia se comporta em condições diferentes de pressão atmosférica, radiação e gravidade.

Conforme Odorico de Moraes, coordenador do Núcleo de Pesquisa e Desenvolvimento de Medicamentos (NPDM) e das pesquisas com pele de tilápia, ao lado do médico Edmar Maciel, do Instituto de Apoio ao Queimado (IAQ), após a exposição na estratosfera, será realizado um comparativo da reação do material.

“Eles vão levar a pele de tilápia para colocar na estratosfera e, após essa exposição, vamos comparar para verificar se houve alguma alteração na estrutura, (...) se as propriedades da pele se mantêm ou são alteradas”, explica.

A expectativa dos pesquisadores é de que os testes feitos no espaço sideral possam fornecer importantes informações para futuras aplicações da pele de tilápia (como, por exemplo, em próteses internas no corpo humano) e sobre como o material reage às variações do ambiente externo.

Além do curativo com pele de tilápia, o projeto Cubes in Space já enviou ao espaço cerca de 700 experimentos de estudantes de mais de 60 países, desde 2013. Segundo a universidade, os materiais testados viajam em pequenas caixas de quatro centímetros cúbicos (4x4x4cm).

De acordo com a UFC, a ideia de enviar o material da pesquisa cearense ao espaço partiu de astrônomos do Rio de Janeiro que fazem parte do projeto da NASA.

Uso da pele de tilápia

A pele da tilápia foi utilizada inicialmente no tratamento de queimados. A técnica para a recuperação de queimados desenvolvida pela Universidade Federal do Ceará (UFC) chegou a ser exportada e usada para curar queimaduras de ursos na Califórnia.

Houve êxito na aplicação em cirurgias ginecológicas, técnica idealizada pelo médico Leonardo Bezerra, professor da UFC. No caso mais recente, o material foi usado em um procedimento inédito para reconstrução vaginal de uma mulher transexual, realizado na Unicamp, em Campinas (SP). Já no Ceará, os procedimentos são realizados em parceria com a Maternidade-Escola Assis Chateubriand (MEAC).

No Ceará, cirurgias de reconstrução vaginal com a membrana do peixe já foram realizadas em mulheres com síndrome de Rokitansky, agenesia vaginal ou câncer pélvico.

Em 2017, pesquisadores da Universidade Federal do Ceará (UFC) inauguraram o primeiro banco de pele de tilápia para uso em tratamentos médicos.

A repercussão positiva dos resultados obtidos com as pesquisas já foram destacadas pelo presidente Jair Bolsonaro e, inclusive, citada em séries de TV norte-americanas como "The Good Doctor" e "Grey's Anatomy".

Disponível em G1: https://g1.globo.com/ce/ceara/noticia/2019/05/10/curativo-com-pele-de-tilapia-desenvolvido-pela-ufc-sera-enviado-ao-espaco-pela-nasa.ghtml

Viagem por buraco de minhoca é possível, mas lenta demais, dizem físicos

Com informações da APS -  07/05/2019

Enquanto isso, outros físicos já convidam todos a bordo para a partida do Expresso Buraco de Minhoca.[Imagem: New Scientist]

Viagens por buracos de minhoca

Depois da primeira detecção direta de um buraco negro, o próximo objeto celeste na lista de desejos dos astrofísicos são os buracos de minhoca, túneis no espaço-tempo conectando dois lugares distantes, através dos quais seria possível viajar.

Mas não faça as malas para uma viagem ao outro lado da galáxia ainda.

Embora sejam teoricamente possíveis - ninguém detectou um de verdade até hoje - os buracos de minhoca não serão úteis para os humanos viajarem, garantem Daniel Jafferis e Ping Gao (Universidade de Harvard) e Aron Wall (Universidade de Stanford).

"Leva mais tempo para passar por esses buracos de minhoca do que para ir diretamente, então eles não são muito úteis para viagens espaciais," ressalta Jafferis.

Apesar de seu pessimismo por viagens pan-galácticas, Jafferis afirma que a busca por uma maneira de construir um buraco de minhoca através do qual a luz possa viajar está dando um impulso na busca pelo desenvolvimento de uma teoria da gravidade quântica.

"A importância real deste trabalho está em sua relação com o problema da informação nos buracos negros e as conexões entre a gravidade e a mecânica quântica," afirma ele.

Alguns físicos afirmam que os buracos de minhoca já podem ter sido detectados. [Imagem: LIGO LabCaltech/MIT]

Impulso para as teorias quânticas

O trabalho é baseado em uma configuração idealizada por Albert Einstein e Nathan Rosen em 1935, a chamada "ponte de Einstein-Rosen", consistindo de uma conexão entre dois buracos negros (o termo buraco de minhoca foi cunhado em 1957). Como o buraco de minhoca é atravessável, explica Jafferis, ele seria um caso especial no qual informações poderiam ser extraídas de um buraco negro.

"Ele fornece uma prova causal de regiões que, de outra forma, estariam atrás de um horizonte de eventos, uma janela para a experiência de um observador dentro de um espaço-tempo, acessível a partir do exterior," afirmou.

Até o momento, um grande obstáculo na formulação da teoria de buracos de minhoca atravessáveis tem sido a necessidade de energia negativa, que parecia ser inconsistente com a gravidade quântica. No entanto, a equipe superou essa inconsistência usando ferramentas da teoria quântica de campo, calculando efeitos quânticos similares ao efeito Casimir.

"Eu acho que isso vai nos ensinar coisas profundas sobre a correspondência de medidor/gravidade, a gravidade quântica, e talvez até mesmo uma nova maneira de formular a mecânica quântica," disse Jafferis.

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Bibliografia:

Traversable wormholes
Ping Gao, Daniel Louis Jafferis, Aron C. Wall
arXiv
Vol.: Proceedings of th APS April Meeting 2019
https://arxiv.org/abs/1608.05687

Fonte: Inovação Tecnológica

Astrônomos brasileiros descrevem anel do planeta anão Haumea

Com informações da Agência Fapesp -  08/05/2019

Por meio de simulações computacionais pesquisadores desvendam detalhes desse objeto do Sistema Solar localizado além da órbita de Plutão, no Cinturão de Kuiper. [Imagem: Nasa]

Planeta anão com anel

Observado pela primeira vez em 2004, Haumea é um planeta anão localizado além da órbita de Plutão, em uma região do Sistema Solar chamada de Cinturão de Kuiper. Foi por causa da descoberta desse e de outros planetas anões que, em 2006, Plutão foi oficialmente desbancado da categoria de planeta.

Uma curiosidade que chamou a atenção de astrônomos brasileiros é que o pequeno corpo celeste possui um tênue anel.

"A descoberta foi feita por ocultação. O brilho da estrela foi observado da Terra e diminuiu quando Haumea passou na frente. Isso permitiu obter informações sobre o formato do planeta anão," conta o professor Othon Cabo Winter, da Universidade Estadual Paulista (Unesp) de Guaratinguetá. "Mas o brilho da estrela também diminuiu quando o anel passou em sua frente, permitindo, assim, que os pesquisadores obtivessem informações sobre o anel."

Os pesquisadores que descobriram o anel de Haumea em 2017 chegaram a sugerir que ele ocuparia uma órbita muito próxima à chamada região de ressonância 1 para 3 (1:3) - a cada três giros completos que o planeta anão dá em torno do próprio eixo, as partículas que formam o anel completam uma órbita ao redor dele.

Haumea tem diâmetro de 1.456 quilômetros, menos da metade de Marte, e possui formato oval, sendo duas vezes mais longo do que largo. Leva 284 anos para completar uma volta em torno do Sol. O planeta anão fica tão distante, e a radiação solar que lá chega é tão rarefeita, que a temperatura na superfície é de 223°C negativos.

Por ter sido detectado pelas lentes dos observatórios gigantes instalados no cume do vulcão extinto Mauna Kea, no Havaí, seus descobridores o batizaram com o nome da deusa da fertilidade da mitologia havaiana. O planeta anão possui duas luas: Namaka e Hi'iaka, as filhas da deusa Haumea.

Órbita excêntrica

Um novo estudo feito pela equipe brasileira mostrou agora ser necessária uma certa excentricidade (medida que representa o afastamento de uma órbita da forma circular) para que a tal ressonância atuasse sobre as partículas do anel.

Segundo Winter, o fato de o anel ser estreito e praticamente circular inviabiliza a atuação dessa ressonância. Em contrapartida, o grupo identificou um tipo peculiar de órbitas periódicas (que se repetem de maneira idêntica) estáveis e quase circulares, na mesma região onde se localiza o anel de Haumea.

Como os anéis são muito tênues e estão distantes demais - a distância média de Haumea em relação ao Sol é 43 vezes maior do que a distância da Terra ao Sol - não é possível observá-los com os telescópios atuais.

"Nosso estudo não é observacional. Não observamos diretamente os anéis. Ninguém jamais o fez," disse Winter. "Nosso estudo é inteiramente computacional. Foi a partir de simulações com os dados obtidos que chegamos à conclusão de que o anel não se encontra naquela região do espaço devido à ressonância 1:3, mas sim devido a uma família de órbitas periódicas estáveis."

Ilhas de estabilidade

Os pesquisadores usaram o método de Superfície de Seção de Poincaré para explorar a dinâmica na região em que se localiza o anel. Com a simulação da evolução das trajetórias das partículas na região, foram gerados em computador gráficos (seções) que mostram visualmente as regiões de estabilidade representadas por ilhas (curvas fechadas), enquanto as regiões instáveis aparecem como uma distribuição de pontos dispostos irregularmente.

As ilhas de estabilidade que foram identificadas em consequência da ressonância 1:3 têm trajetórias muito excêntricas, mais do que seria compatível com o anel estreito e circular.

"Por outro lado, identificamos ilhas de estabilidade na mesma região, mas com trajetórias de baixa excentricidade, compatíveis com o anel. Essas ilhas foram identificadas por causa de uma família de órbitas periódicas", disse Winter.

Bibliografia:

On the location of the ring around the dwarf planet Haumea
Othon Cabo Winter, Gabriel Borderes Motta, Taís Ribeiro
Monthly Notices of the Royal Astronomical Society
Vol.: 484, Issue 3, Pages 3765-3771
DOI: 10.1093/mnras/stz246

Fonte: Inovação Tecnológica