Cientistas medem força necessária para mover um único átomo

Força para mover um átomo

Cientistas da IBM, juntamente com colegas da Universidade de Regensburg, na Alemanha, conseguiram pela primeira vez medir a força necessária para mover átomos individuais sobre uma superfície. Essa medição fundamental dará importantes informações necessárias para o projeto dos dispositivos em escala atômica do futuro.

Entender a força necessária para mover átomos individuais está para a nanotecnologia assim como as medições precisas em nível macrométrico estavam para os engenheiros do início da Revolução Industrial.

Ligações fortes e fracas

Da mesma forma que a engenharia utiliza tanto materiais que devem se comportar de maneira totalmente rígida quanto outros que devem possuir uma flexibilidade suficiente para lidar com diferentes forças, a nanotecnologia precisará selecionar átomos que permaneçam fixos em determinados locais, enquanto outros fiquem conectados por ligações atômicas fracas, podendo ser retirados do lugar facilmente quando necessário.

Piconewtons

As medições revelaram que é necessário uma força de 210 piconewtons para mover um átomo de cobalto sobre uma superfície totalmente lisa de platina. Mover o mesmo átomos de cobalto sobre uma superfície de cobre requer apenas 17 piconewtons.

Para se ter uma melhor idéia dessas grandezas, basta ver que a força necessária para levantar uma pequena moeda, que pesa apenas três gramas, é 30 bilhões de piconewtons.

Bibliografia:

The Force Needed to Move an Atom on a Surface
Markus Ternes, Christopher P. Lutz, Cyrus F. Hirjibehedin, Franz J. Giessibl, Andreas J. Heinrich
Science
22 February 2008
Vol.: 319. no. 5866, pp. 1066 - 1069
DOI: 10.1126/science.1150288

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Cientistas filmam fótons usando elétrons

Estes são fótons fotografados em nanotubos de carbono, usando pulsos de elétrons de altíssima velocidade. As imagens mostram os campos evanescentes em dois momentos e em duas polarizações diferentes.[Imagem: Zewail/Caltech]

Vendo a luz

Os fótons são as partículas elementares da luz. Estudá-las isoladamente está se tornando cada vez mais importantes não apenas para a ciência básica, mas também para a tecnologia, sobretudo com os crescentes avanços da fotônica e da óptica em geral, e da computação quântica.

Mas como acompanhá-los para conhecer seu comportamento e como eles interagem com a matéria e com os campos eletromagnéticos? Afinal, observar a matéria é fácil: nossos olhos captam os fótons que se refletem sobre a matéria e criam uma imagem. Mas como fazer uma imagem de um fóton?

Foi justamente isto o que os cientistas conseguiram agora: eles literalmente filmaram fótons, utilizando elétrons para visualizá-los.

Microscópio 4D

Em 2008, cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos Estados Unidos, apresentaram sua revolucionária tecnologia de microscopia quadrimensional.

O microscópio eletrônico 4D tornou possível, pela primeira, a visualização em tempo real, no espaço real, de mudanças extremamente sutis na estrutura da matéria em nanoescala.

Agora, os mesmos inventores do microscópio 4D descobriram que ele pode ser usado para gerar imagens dos campos elétricos evanescentes produzidos pela interação de elétrons e fótons, e para acompanhar as mudanças nessas estruturas em escala atômica.

Campos evanescentes são ondas superficiais que decaem muito rapidamente - vejaSuperlente de prata irá revolucionar os microscópios ópticos.

Femtoquímica

A pesquisa foi dirigida por ninguém menos do que Ahmed Zewail, Prêmio Nobel de Química em 1999, e consistiu, na verdade, de dois avanços em sequência.

Zewail ganhou o Prêmio Nobel pelo seu trabalho no campo agora conhecido como femtoquímica, que usa pulsos de laser ultra curtos para observar reações químicas fundamentais que ocorrem na escala de tempo dos femtossegundos - um milionésimo de um bilionésimo de segundo.

O trabalho da femtoquímica "capturou os átomos e as moléculas em movimento", diz Zewail, mas, enquanto instantâneos dessas moléculas fornecem a "dimensão tempo" das reações químicas, eles não dão a dimensão do espaço dessas reações, isto é, a sua estrutura ou arquitetura.

Microscopia 4D

Zewail e seus colegas conseguiram visualizar a arquitetura que faltava por meio da microscopia 4D, que usa elétrons individuais para introduzir a dimensão do tempo na microscopia eletrônica de alta resolução tradicional, proporcionando assim uma forma de ver, em tempo real, as mudanças na estrutura de sistemas complexos em escala atômica.

Nessa técnica, um objeto é iluminado com um feixe de elétrons. Os elétrons refletem-se nos átomos do objeto, espalham-se e são detectados por um sensor. Os padrões gerados no detector fornecem informações sobre o arranjo dos átomos no material. No entanto, se os átomos estiverem em movimento, os padrões saem borrados, obscurecendo detalhes sobre variações em pequena escala no material.

Filmes de átomos

Esta é a difração obtida do silício pelo microscópio 4D. A escala, em décimos de nanômetros, pode ser calculada pelos padrões na superfície. [Imagem: Zewail/Science/AAAS]

Zewail e seu colaborador Aycan Yurtsever então desenvolveram uma nova técnica que lida com o problema da borradura usando pulsos de elétrons, em vez de um feixe constante de elétrons.

A amostra em estudo, uma pastilha de silício cristalino, é primeiro aquecida com um curto pulso de luz laser. A amostra é então atingida com um pulso de elétrons com duração de femtossegundos, que rebatem nos átomos, produzindo um padrão de difração no detector.

Como os pulsos de elétrons são incrivelmente breves, os átomos aquecidos não têm tempo de se movimentar muito. Esse "tempo de exposição" extremamente curto produz uma imagem nítida.

Ajustando o intervalo entre o aquecimento da amostra e a captura da imagem, os cientistas montam uma coleção de imagens fixas que podem ser depois juntadas em sequência para formar um filme.

"Basicamente, todos as amostras com que lidamos são heterogêneas, com composições que variam em áreas muito pequenas," explica Zewail. "Esta técnica fornece um meio para examinar pontos localizados em materiais e estruturas biológicas, com uma resolução espacial de um nanômetro ou menos, e resolução temporal de femtossegundos."

Ou seja, esta técnica aprimorada permite que as estruturas dos materiais sejam mapeadas e filmadas em escala atômica.

Filmando fótons

Entra em cartaz a segunda técnica, desenvolvida em colaboração com Brett Barwick e David Flannigan.

Nesta, a luz produzida por aquelas mesmas nanoestruturas que estão sendo observadas podem ser analisadas, mapeadas e filmadas.

O conceito desta nova técnica envolve a interação entre os elétrons e os fótons. Os fótons geram um campo evanescente em nanoestruturas, e os elétrons podem ganhar energia a partir desses campos, o que os torna visíveis no microscópio 4D.

A técnica foi batizada de PINEM (Photon-Induced Near-field Electron Microscopy - microscopia eletrônica de proximidade de campo induzida por fótons.

Determinados materiais, depois de serem atingidos por pulsos de laser, continuam a "brilhar" durante uma fração extremamente pequena, mas mensurável, de tempo - da ordem de dezenas a centenas de femtossegundos.

O poder desta nova técnica de microscopia é que ela oferece um meio de visualizar o campo evanescente quando os elétrons que ganharam energia são seletivamente identificados, e de gerar imagens das próprias nanoestruturas quando os elétrons que não ganharam energia são selecionados.

"O que é interessante do ponto de vista da física fundamental é que agora somos capazes de filmar fótons usando elétrons. Tradicionalmente, por causa do descompasso entre a energia e o momento dos elétrons e dos fótons, nós não esperávamos a intensidade [agora verificada] do efeito PINEM, ou a capacidade de visualizá-lo no espaço e no tempo," diz Zewa

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Gerado o mais forte campo magnético do mundo

Pesquisadores da Universidade de Berkeley (Berkely Lab's Superconducting Magnet Group), Estados Unidos, anunciaram ter gerado o mais forte campo magnético já produzido. O grupo conseguiu gerar um campo de 14,7 Tesla, cerca de 300.000 vezes a força do campo magnético da Terra. O recorde anterior era do mesmo laboratório, com 13,5 Tesla.

O feito foi alcançado com a utilização de um equipamento recém construído no laboratório. Chamado de RD-3, trata-se de um eletromagneto dipolar, construído de nióbio e estanho, medindo cerca de um metro de altura. Ele consiste de três bobinas modulares, feitas de cerca de 13.000 metros de fios de uma liga supercondutora de nióbio e estanho (Nb3Sn).

Magnetos dipolares são utilizados para curvar e manter a rota de aceleração de feixes de partículas. Quanto mais fortes os magnetos, mais fechado será o arco do feixe de partículas. Os eletromagnetos convencionais não conseguem atingir mais do que 2 Tesla. Foi necessário então o desenvolvimento de novas ligas supercondutoras para se suplantar essa barreira. Mas mesmo a utilização de ligas supercondutoras impõe seu próprio desafio, na medida em que a supercondutividade tende a se enfraquecer e desaparecer na presença de fortes campos magnéticos.

Os maiores aceleradores de partículas até hoje construídos baseiam-se em ligas de nióbio-titânio. Embora sua dutibilidade seja um fator favorável, ele está limitado a forças de até 10 Tesla. O supercondutor de nióbio-estanho, contudo, teoricamente seria capaz de ultrapassar a marca de 14 Tesla. Até agora, entretanto, essa nova liga era considerada muito frágil e quebradiça para ser capaz de suportar as forças envolvidas. Estas forças não são nada desprezíveis, sendo estimadas na ordem de 3 milhões de libras.

Para superar o problema da fragilidade da liga, as bobinas foram construídas utilizando-se fios separados de nióbio e estanho. Estes fios foram enrolados em uma alma de ferro e impregnadas com epóxi. A seguir as bobinas foram aquecidas a 950º K (680º C) durante 2 semanas, para que os dois elementos reagissem para formar a liga supercondutora. Para completar, as bobinas foram encapsuladas em um receptáculo de alumínio de 40 mm de espessura.

Para que as bobinas se tornem supercondutoras elas devem ser esfriadas a cerca de 4,2º K (-270º C). O magneto deve ser então "treinado" para atingir seu pico de geração de campo magnético. Este treinamento começa com o resfriamento do magneto até seu ponto de supercondutividade. A seguir ele vai sendo energizado até que haja uma súbita perda dessa supercondutividade, devido a um aquecimento em algum local da bobina. Os cientistas chamam este momento de "quenching" (literalmente, matar a sede). Assim que um "quenching" ocorre, o magneto é novamente resfriado e o treinamento recomeça. O processo se repetirá tantas vezes quantas necessárias até que o magneto atinja o limite ditado pelas propriedades do supercondutor de que ele é feito. E é necessário paciência: o RD-3 teve 35 "quenches" até atingir seu máximo.

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No reino dos átomos, mundo pode se tornar bidimensional

Na semana passada vimos a primeira proposta factível para se testar a Teoria das Cordas, que poderá comprovar que nosso UNIverso é apenas um no interior de um MULTIverso. Os próprios cientistas se espantam ante essa possibilidade e afirmam que ela mudará a forma como encaramos o mundo.

Certamente, a aceitação inequívoca de várias dimensões - inúmeros cientistas já as levam informalmente em conta em suas análises - terá um impacto semelhante àquele que a "destruição das esferas celestes" teve no final da Idade Média. A passagem de um conceito de um mundo fechado, construído em níveis visíveis a olho nu, para um universo infinito, mudou para sempre a interação do homem com a natureza.

Agora, um artigo publicado na revista Nature, olhando no sentido oposto em termos de grandeza, parece reforçar a noção de que as dimensões - em termos do "formato geométrico" do universo - parecem estar em estreita relação com a dimensão - em termos de grandeza -, daquilo que está sendo observado.

Ao analisar como um mineral passa do estado desordenado e não magnético de um isolante, para um condensado ordenado e magnético, quando submetido a temperaturas extremamente baixas, os cientistas descobriram que o material simplesmente "perde" uma dimensão. O cristal tridimensional passa a se comportar como se tivesse apenas duas dimensões. Nada do que acontece na terceira dimensão afeta suas propriedades e seu comportamento.

"A redução da dimensionalidade é um ingrediente-chave em várias teorias exóticas que se propõem a explicar vários fenômenos ainda pouco compreendidos, incluindo a supercondutividade de alta temperatura, mas, até agora, não havia exemplos claros de redução dimensional em materiais reais," explica o cientista Ian Fisher, da Universidade de Stanford, Estados Unidos. "Nós mostramos, pela primeira vez, que o comportamento coletivo em um material bruto tridimensional pode realmente ocorrer em apenas duas dimensões."

O material estudado é o silicato de cobre-bário, um pigmento azul usado nas cerâmicas chinesas a mais de 2.500 anos. Quando é submetido a uma temperatura criogênica, os spins dos seus elétrons se alinham em planos, gerando uma nova fase, um estado da matéria totalmente novo, chamado de "ponto quântico crítico".

Nas extensões astronômicas dos sistemas solares e galáxias, fenômenos ainda não explicados pelas teorias convencionais parecem somente poder ser entendidos quando se leva em conta dimensões extras. Já na intimidade da matéria, no reino liliputiano de elétrons e partículas subatômicas, as dimensões parecem perder importância. Na pequenez ínfima dos átomos, um mundo em duas dimensões parece fazer mais sentido.

Um silicato é um material que se estrutura em camadas. Em vários desses minerais, é possível desfazer essas camadas com as mãos. No estado natural, isolante, um par de spins de direções contrárias anulam-se mutuamente. Já no estado magnético, os spins dos elétrons de uma camada não interferem com os spins dos elétrons das camadas adjacentes. Ou seja, as ondas magnéticas viajam apenas ao longo dos planos das camadas.

Frustração Geométrica

É isso que os cientistas chamaram de perda de uma dimensão. Eles acreditam que o fenômeno se deva a um efeito chamado frustração geométrica. Como as diversas camadas do silicato não estão perfeitamente alinhadas, o comportamento quântico dos spins no zigue-zague dos átomos parece "frustrar" a influência que um plano poderia causar sobre o outro.

O ponto quântico crítico ocorre sob a ação da temperatura e de um fortíssimo campo magnético, num estado físico conhecido como condensado de Bose-Einstein. Neste estado da matéria, as ondas magnéticas se propagam em todas as direções. Mas, no ponto quântico crítico, a propagação se restringe a único plano.

A experiência permitiu que os cientistas tivessem as primeiras informações sobre as razões dos comportamentos até agora inexplicáveis de materiais que se comportam como supercondutores em temperaturas bem acima do zero absoluto, assim como de magnetos metálicos conhecidos como férmions pesados.

"O cálice sagrado para a física da matéria condensada é o estabelecimento de uma base para o entendimento dos mecanismos que podem produzir a supercondutividade de alta temperatura," explica Neil Harrison, outro participante da pesquisa. "A redução dimensional observada no condensado de Bose-Einstein do silicato de cobre-bário fornece um exemplo particularmente vívido do papel da dimensionalidade na física da matéria condensada porque ela está livre de outras complicações que mascaram nosso entendimento dos materiais supercondutores."

Bibliografia:

Dimensional reduction at a quantum critical point
Suchitra E. Sebastian, Neil Harrison, Cristian D. Batista, Luis Balicas, Marcelo Jaime, Peter A. Sharma, Naoki Kawashima, Ian R. Fisher
Nature
01 Jun 2006
Vol.: 441, 617-620

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Cientistas descobrem como ligar e desligar um ímã

Cientistas conseguiram ligar e desligar um magneto. Alterando as propriedades do material magnético, agora é possível fazer com que ele alterne entre a condição de material magnético duro e material magnético mole. A descoberta deverá ter largas implicações sobre o controle de equipamentos eletromagnéticos.

Materiais magnéticos duros e moles

Os materiais magnéticos são classificados em duros e moles, estes últimos também referidos como macios ou doces. Os magnetos duros, também chamados ímãs, são aqueles "permanentes" - o que significa que exigem um forte campo externo para levar sua magnetização a zero. Já os magnetos moles possuem um magnetismo facilmente reversível.

O uso dos materiais magnéticos depende justamente de que eles sejam duros ou moles. Ou, dito de outra forma, algumas aplicações exigem materiais duros e outras aplicações exigem materiais moles. Um ímã de geladeira, por exemplo, deve ser feito de um material magnético duro, para que possa permanecer grudado por muito tempo. Já os motores elétricos exigem materiais magnéticos moles, para que eles possam se adaptar rapidamente às alterações da corrente elétrica alternada.

A característica de material magnético duro ou mole depende do domínio - a menor unidade do material que mantém uma orientação magnética própria. No caso dos materiais magnéticos moles, quando o campo magnético externo é retirado, a orientação magnética dos domínios desaparece.

Ligando e desligando um ímã

O que os cientistas conseguiram fazer foi utilizar um campo magnético externo para fazer com que os domínios de outro material passassem de duros para moles e vice-versa.

"No processo, nós demonstramos uma nova rota para aplicações de magnetos a altas temperaturas e mostramos como a desordem química na escala do nanômetro pode ter um efeito gigantesco sobre as propriedades macroscópicas do magneto," diz o professor Gabriel Aeppli, do London Centre for Nanotechnology.

Da mesma forma que os semicondutores utilizados na fabricação dos chips de computador têm seu comportamento eletrônico ditado por alguns poucos átomos de "impurezas", os cientistas descobriram que os materiais magnéticos também podem ser "dopados" com uma variação mínima em sua constituição, resultando em um comportamento magnético totalmente diferente do material original.

Bibliografia:

A ferromagnet in a continuously tunable random field
D. M. Silevitch, D. Bitko, J. Brooke, S. Ghosh, G. Aeppli, T. F. Rosenbaum1
Nature
2 August 2007
Vol.: 448, 567-570
DOI: 10.1038/nature06050

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Materiais capazes de mesclar eletricidade e magnetismo poderão revolucionar computação

Os microfones utilizam um material que mescla vibrações e campos elétricos a fim de transformar com alta eficiência o som em eletricidade. Os físicos esperam revolucionar a computação com materiais similares, capazes de combinar eletricidade e magnetismo. Uma nova teoria sugere a existência de uma nova classe desses materiais multiferróicos.

Nos computadores, o magnetismotem o mérito de armazenar informações, mas são os sinais elétricos que fazem os cálculos computacionais propriamente ditos. Muitos físicos acreditam que materiais que contenham tanto campos magnéticos quanto campos elétricos poderão permitir a criação de dispositivos computacionais inteiramente novos. Mas as duas propriedades raramente coexistem.

Mesclando eletricidade e magnetismo

Agora, pesquisadores descreveram uma nova técnica por meio da qual esse estado combinado pode ocorrer. A idéia amplia a gama de materiais que são potenciais candidatos para criar esse novo paradigma da computação.

Cada 0 ou 1 digital armazenado em um disco rígido é representado por um ponto microscópico de material magnético - um pedaço de magneto permanente, ou ferromagneto. Já os materiais ferroelétricos, que têm um alinhamento permanente da sua carga elétrica, são menos familiares, mas são utilizados, por exemplo, em microfones.

Os físicos têm sonhado com materiais que sejam simultaneamente ferromagnéticos e ferroelétricos. Nesse material multiferróico, eles esperam, um minúsculo campo magnético poderá controlar uma corrente elétrica. Ou talvez, um minúsculo sinal elétrico poderá reverter o campo magnético do material, ou alinhar magneticamente os spins dos elétrons que o atravessem, permitindo novos tipos de dispositivosspintrônicos.

Materiais Multiferróicos

Para essas aplicações, contudo, o comportamento elétrico e magnético devem influenciar fortemente um ao outro. "Os multiferróicos interessantes são aqueles nos quais você tem um acoplamento entre os dois," afirma Jeroen van den Brink, da Universidade de Leiden, Holanda.

Infelizmente, os mecanismos usuais que produzem a ferroeletricidade e o ferromagnetismo são incompatíveis ao nível atômico, de forma que eles raramente ocorrem juntos, quanto menos interagirem. Os cientistas já construíram materiais multiferróicos, por exemplo, misturando componentes que possuíam cada uma das propriedades. Eles também descobriram a coexistência dos dois em alguns materiais uniformes, mas isso parece exigir um padrão incomum, helicoidal, de magnetismo em escala atômica.

Magnetismo helicoidal

Van den Brink e seus colegas agora propõem um mecanismo menos exótico por meio do qual um material pode se tornar multiferróico. Sua teoria foi motivada por recentes experimentos de desorientação ("perplexing"), onde materiais chamados manganitos de terras-raras se tornam multiferróicos a baixas temperaturas, mesmo se eles não tiverem o padrão de magnetismo helicoidal.

Esses materiais formam as chamadas ondas de densidade de spin, nas quais os spins dos átomos - que se comportam como se fossem uma barra magnética - se organizam em camadas apontando alternadamente em direções opostas. Os pesquisadores afirmam que essa ordem magnética pode gerar um campo elétrico macroscópico.

Magnetismo em escala atômica

Os pesquisadores começam com a conjectura de que uma magnetização que se altera de um ponto para outro em escala atômica - ao contrário do magnetismo uniforme em um ferromagneto normal - gera um pequeno campo elétrico. Embora eles não saibam em detalhes como isto pode acontecer, isso não viola nenhuma das leis conhecidas e permite uma explicação simples dos dados.

Sua teoria então mostra como um campo em grande escala pode ser gerado se o período da onda de densidade spin é um múltiplo exato do período do espaçamento entre as camadas atômicas, além de ser deslocado de posicão em relação às camadas.

Essas condições parecem ser atendidas nas temperaturas nas quais os manganitos de terras-raras se tornam multiferróicos. A teoria também sugere que os pesquisadores devem procurar por um campo elétrico permanente em outros materiais que formam ondas de densidade spin, tais como certos cristais moleculares orgânicos.

Bibliografia:

Multiferroicity Induced by Dislocated Spin-Density Waves
Joseph J. Betouras, Gianluca Giovannetti, Jeroen van den Brink
Physical Review Letters
22 June 2007
Vol.: 98, 257602
DOI: 10.1103/PhysRevLett.98.257602

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Campos magnéticos são fotografados em 3-D pela primeira vez

Campo magnético de um dipolo magnético visualizado por meio da técnica de nêutrons polarizados pelo spin.[Imagem: Hahn-Meitner-Institut Berlin]

Supercondutores e tomografias

Cientistas alemães conseguiram obter pela primeira vez imagens 3-D de campos magnéticos no interior de materiais sólidos não-transparentes. A nova visualização será uma ferramenta importante no entendimento da supercondutividade e no projeto de melhores equipamentos de imageamento médico.

Imagens 3-D tornaram-se uma ferramenta essencial na medicina. Mas elas são importantes também em outras áreas do conhecimento. A visualização direta de campos magnéticos, por exemplo, terá implicações no estudo do funcionamento dos supercondutores e no desenvolvimento de novos materiais para um sem-número de aplicações.

Nêutrons polarizados

Para "fotografar" os campos magnéticos no interior de um material sólido opaco, os cientistas utilizaram os nêutrons, partículas subatômicas que não têm carga elétrica, mas que possuem um momento magnético.

Quando sofrem a ação de um campo magnético externo, os nêutrons se comportam como pequenas agulhas de bússola, alinhando-se na mesma direção do campo. Os nêutrons também possuem spin - ou momento angular interno, - uma propriedade quântica que faz com que essa "agulha magnética" gire ao redor do seu eixo.

Quando todos os momentos magnéticos apontam no mesmo sentido, diz-se que os nêutrons estão polarizados pelo spin. Se uma amostra de material magnético for irradiada com esses nêutrons polarizados pelo spin, os momentos magnéticos dos nêutrons começarão a girar ao redor dos campos magnéticos que eles encontrarem na amostra, o que causará a alteração do seu spin.

Ao se detectar os spins no outro lado da amostra, torna-se possível "ver" os campos magnéticos, reconstruindo sua estrutura tridimensional na forma de uma imagem 3-D.

Bibliografia:

Three-dimensional imaging of magnetic fields with polarized neutrons
Nikolay Kardjilov, Ingo Manke, Markus Strobl, André Hilger, Wolfgang Treimer, Michael Meissner, Thomas Krist, John Banhart
Nature Physics
30 March 2008
Vol.: Advance online publication
DOI: 10.1038/nphys912

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Trem de levitação magnética espanhol funciona com ímãs permanentes

Protótipo em miniatura do trem magnético que usa somente ímãs permanentes de neodímio.[Imagem: Andaluciainvestiga]

Trens de levitação magnética, também conhecidos como maglev, têm sido alvo de pesquisas em vários países. Já existe até mesmo uma linha comercial na China, que faz o percurso entre o aeroporto de Pudong e a cidade de Xangai em apenas 8 minutos.

Embora promissores, os trens magnéticos ainda são projetos caros demais para competir com os sistemas tradicionais de transporte, mesmo para países ricos como o Japão e a Alemanha, que têm pesquisas avançadas na área.

Trem magnético com ímãs permanentes

Mas a solução pode estar a caminho. Um grupo de engenheiros espanhóis desenvolveu um protótipo em pequena escala de um trem magnético que utiliza unicamente ímãs permanentes.

Os maglev tradicionais utilizam eletroímãs, o que é um dos principais fatores de seu elevado custo, tanto de instalação quanto de manutenção. Alguns projetos tentam incorporar supercondutores resfriados criogenicamente para aumentar a eficiência da sustentação magnética, o que eleva ainda mais os custos.

O que os pesquisadores da Universidade de Almería fizeram foi substituir os eletroímãs por ímãs de alta potência, semelhantes aos utilizados no interior dos discos rígidos de computador.

Ímãs de neodímio

Esses ímãs são comumente chamados de ímãs de terras raras, porque o seu principal componente é o elemento neodímio, membro dessa família da tabela periódica. Esses magnetos de neodímio chegam a ser nove vezes mais fortes do que os ímãs tradicionais. Sua composição inclui ainda o ferro e o boro, além de uma camada externa de níquel para evitar a oxidação.

Enquanto em um sistema maglev tradicional o movimento do trem é feito pela alternância em alta velocidade das polaridades dos eletroímãs, no sistema com ímãs permanentes o movimento se dá, segundo os pesquisadores, por meio de uma combinação específica de atrações e repulsões "devidamente moderadas por ligas de aço," que permitem que o trem seja dirigido para frente ou para trás ou parado.

Em uma entrevista por email, os pesquisadores afirmaram não poderem dar detalhes técnicos do funcionamento por questões de sigilo industrial. Segundo eles, o protótipo em escala reduzida já demonstrou a viabilidade da tecnologia.

Um trem magnético baseado em ímãs permanentes teria custos operacionais extremamente baixos, com a sua manutenção se restringindo à conservação mecânica.

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Cientistas criam um superátomo magnético

[Imagem: Ulises Reveles]

Um grupo internacional de pesquisadores descobriu um aglomerado estável de átomos capaz de representar diferentes elementos da tabela periódica.

Chamado de "superátomo magnético", a novidade, segundo os cientistas, poderá ser usada na criação de componentes eletrônicos moleculares para equipar a próxima geração de computadores, que seriam muito mais rápidos e com maior capacidade de armazenamento.

Magnetismo do manganês

O aglomerado, composto por um átomo de vanádio e oito de césio (VCs8), atua como um pequeno ímã capaz de simular um único átomo de manganês em força magnética, ao mesmo tempo permitindo que elétrons com orientação de spin específica sejam atraídos pela camada de átomos de césio.

Já o aglomerado MnAu24(SH)18, também criado pelos pesquisadores, é um superátomo recoberto por uma camada externa de átomos de enxofre e hidrogênio, que os protege de "ataques" químicos externos. Essa proteção torna-os valiosos para pesquisas em aplicações biomédicas.

O estudo, conduzido por Shiv Khanna, da Virginia Commonwealth University nos Estados Unidos, e colegas de outras instituições do país e da Índia, foi publicado no site da revista Nature Chemistry.

Estabilidade atômica

Por meio de uma série elaborada de estudos teóricos, o grupo examinou as propriedades eletrônicas e magnéticas de aglomerados contendo um átomo de vanádio envolto por múltiplos átomos de césio.

Os cientistas observaram que quando o aglomerado tinha oito átomos de césio ele adquiria uma estabilidade extra, devido a um estado eletrônico preenchido. Um átomo está em configuração estável quando sua camada mais exterior é dita preenchida. Consequentemente, quando um átomo se combina com outros, ele tende a perder ou ganhar elétrons de valência, de modo a adquirir uma configuração estável.

Momento magnético

Segundo Khanna, o novo aglomerado tem um momento magnético (medida da intensidade da fonte magnética) de 5 magnetons de Bohr, que é mais do que o dobro do valor para um átomo de ferro em um ímã sólido do mesmo elemento.

Como o átomo de manganês tem um momento magnético semelhante e uma camada eletrônica fechada, os cientistas estimam que o novo aglomerado possa ser usado para simular um átomo de manganês.

"O césio é um bom condutor de eletricidade e o superátomo combina a vantagem da característica magnética com a facilidade de condução pela camada mais externa. Uma combinação como essa poderá levar a desenvolvimentos importantes na área de eletrônica molecular", disse Khanna.

Bibliografia:

Designer magnetic superatoms
J. Ulises Reveles, Peneé A. Clayborne, Arthur C. Reber, Shiv N. Khanna, Kalpataru Pradhan, Prasenjit Sen, Mark R. Pederson
Nature Chemistry
14 June 2009
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1038/nchem.249

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Monopolos magnéticos são observados pela primeira vez

Espaguete de spins das cordas de Dirac. [Imagem: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant]

Gravidade e magnetismo

Se você é do tipo de pessoa que gosta de olhar as coisas por um outro ângulo, deve ficar intrigado com a gravidade. Ao contrário das outras forças, a gravidade não possui um correspondente negativo. Pelo menos não que a física já tenha tomado conhecimento.

Mesmo sendo a mais fraca de todas as forças, não conhecemos uma "gravidade negativa." Se conhecêssemos, construir carros flutuantes ou ir ao espaço não seria mais problema - desde que aprendêssemos a controlar essa gravidade negativa.

O oposto acontece com o magnetismo. Por que os magnetos aparecem sempre em pólos opostos? Por que não podemos ter um "norte" que não esteja associado com um "sul" e vice-versa? Este tem sido um mistério que desafia os físicos há séculos.

Monopolos magnéticos

Em 1931, o físico britânico Paul Dirac - que dividiu o Prêmio Nobel de Física com Erwin Schrödinger em 1933 - defendeu a existência desses chamados monopolos - pólos magnéticos solteiros, independentes dos seus irmãos siameses.

Segundo ele, os monopolos existiriam na extremidade de tubos que conduzem campos magnéticos. Esses tubos passaram a ser conhecidos como cordas de Dirac. Mas isso era apenas teoria, sem que ninguém tivesse conseguido detectar os monopolos.

Agora, uma equipe de pesquisadores alemães e ingleses acaba de observar experimentalmente pela primeira vez os monopolos magnéticos em materiais reais.

Os pesquisadores detectaram os monopolos magnéticos em um único cristal de titanato de disprósio, por meio de um experimento de espalhamento de nêutrons.

Espaguete de spins

Esquema do experimento de espalhamento de nêutrons, que são disparados contra a amostra e, quando um campo magnético é aplicado às cordas de Dirac, alinham-se com os monopolos magnéticos na extremidade dessas cordas. [Imagem: HZB / D.J.P. Morris & A. Tennant]

O titanato de disprósio cristaliza-se em uma geometria absolutamente incomum, chamada estrutura piroclórica. Com o auxílio do espalhamento de nêutrons, os pesquisadores demonstraram que os momentos magnéticos no interior do material se reorganizam para formar o assim chamado "espaguete de spins" (Spin-Spaghetti). Esse nome vem do ordenamento dos próprios dipolos, de tal forma que cria-se uma rede de tubos (ou cordas) retorcidos, através dos quais o fluxo magnético é transportado - a corda de Dirac.

Os monopolos magnéticos podem ser visualizados através de sua interação com os nêutrons, eles próprios detentores de um momento magnético. Dessa forma, os nêutrons se espalham de uma forma que revela os momentos das cordas de Dirac.

Durante as medições do espalhamento de nêutrons, os pesquisadores aplicaram um campo magnético ao titanato de disprósio. Com este campo, eles conseguiram influenciar a simetria e a orientação das cordas, reduzindo a densidade das redes de cordas e fazendo com que os monopolos se dissociassem. Como resultado, sob temperaturas entre 0,6 e 2 Kelvin, as cordas ficaram visíveis, apresentando os monopolos magnéticos nas suas extremidades.

Nova propriedade da matéria

O experimento demonstra que os monopolos magnéticos são estados emergentes da matéria, isto é, eles surgem como uma propriedade resultante do arranjo dos dipolos e são completamente diferentes dos elementos constituintes do material.

"Nós estamos falando sobre propriedades fundamentais da matéria totalmente novas. Essas propriedades são geralmente válidas para materiais com a mesma topologia, ou seja, para momentos magnéticos da rede piroclórica. Isto pode ter grandes implicações para o desenvolvimento de novas tecnologias. Acima de tudo, [nosso trabalho] representa a primeira observação já feita do fracionamento em três dimensões," explicou Jonathan Morris, um dos participantes da descoberta.

Bibliografia:

Dirac Strings and Magnetic Monopoles in Spin Ice Dy2Ti2O7
D.J.P. Morris, D.A. Tennant, S.A. Grigera, B. Klemke, C. Castelnovo, R. Moessner, C. Czter-nasty, M. Meissner, K.C. Rule, J.-U. Hoffmann, K. Kiefer, S. Gerischer, D. Slobinsky, R.S. Perry
Science
September 3, 2009
Vol.: Published Online
DOI: 10.1126/science.1178868

fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

Magnetricidade é observada pela primeira vez

O equivalente magnético da eletricidade - chamado de magnetricidade - foi demonstrado experimentalmente pela primeira vez por cientistas do London Centre for Nanotechnology, da Inglaterra.

A comprovação de que uma carga magnética pode se comportar e interagir em alguns materiais exatamente como uma carga elétrica deverá levar a avanços tecnológicos significativos, assim como exigirá uma reavaliação de todas as atuais teorias sobre o magnetismo.

Norte sem Sul

No mês passado, depois de quase 80 anos de tentativas, cientistas conseguiram demonstrar experimentalmente pela primeira vez a existência de monopolos magnéticos, uma espécie de "carga magnética" individual, de dimensões atômicas.

Todo ímã é formado por dois polos inseparáveis, chamados norte e sul. Se ele for cortado no meio, nascerá um outro ímã, com os dois polos, e assim sucessivamente, até o nível atômico. Mesmo um único átomo se comportará como uma pequena barra magnética, com dois polos.

Contudo, o padrão de orientação dos polos magnéticos parece se propagar por alguns materiais, fazendo surgir as chamadas "cargas magnéticas" - em tudo equivalentes aos polos magnéticos individuais previstos por Paul Dirac em 1931.

Entenda o processo de geração das cargas magnéticas:
a) no campo zero, as cargas magnéticas ocorrem como pares associados, mas algumas se dissociam, gerando um momento magnético flutuante;
b) o campo de energia compete com o potencial de Coulomb, baixando a barreira que ativa a dissociação;
c) um campo aplicado transversalmente acelera as cargas, fazendo-as se dissociarem;
d) no campo aplicado, essas cargas permanecem dissociadas, enquanto mais pares associados se formam para restaurar o equilíbrio. As cargas livres geram flutuações no momento magnético que são detctadas por múons implantados.
[Imagem: Bramwel et al.]

Carga magnética

Agora, os pesquisadores ingleses não apenas mediram a carga dos monopolos magnéticos, como detectaram seu movimento, demonstrando que há uma simetria perfeita entre a eletricidade e o magnetismo - a magnetricidade.

Os monopolos foram detectados como distúrbios no estado magnético de um material conhecido como gelo de spin (Dy₂Ti₂O₇). Segundo os cientistas, eles só podem existir no interior do material.

A corrente magnética resulta do movimento dessas cargas magnéticas de dimensões atômicas, da mesma forma que a carga elétrica resultado do movimento dos elétrons.

"Este é passo muito importante para confirmar que a carga magnética pode fluir como uma carga elétrica. Estamos nos primeiros estágios, mas quem sabe quais aplicações da magnetricidade poderão estar disponíveis nos próximos 100 anos," prevê o professor Steve Bramwell, coordenador do estudo.

Bibliografia:

Measurement of the charge and current of magnetic monopoles in spin ice
S. T. Bramwell, S. R. Giblin, S. Calder, R. Aldus, D. Prabhakaran, T. Fennell
Nature
15 October 2009
Vol.: 461, 956-959
DOI: 10.1038/nature08500

fonte:www.inovacaotecnologica.com.br

Ondas solitárias demonstram dilatação do tempo prevista por Einstein

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/02/2009

Distribuição bidimensional de um campo magnético, mostrando pequenas "excitações de formato", que podem ser consideradas como sólitons propagando-se ao longo de outros sólitons. São essas ondas de formato que são utilizadas para medir os efeitos da dilata[Imagem: Riken]

Ondas solitárias, aprisionadas em junções de materiais supercondutores, podem ser usadas para demonstrar efeitos da dilatação do tempo similares àqueles previstos pela teoria especial da relatividade, formulada por Albert Einstein.

Ondas solitárias

As ondas solitárias, mais conhecidas como sólitons, são ondas que não perdem facilmente energia e nem o seu formato.

Um pulso de luz, por exemplo, que é uma onda com picos e vales, tende a perder força quando transmitido ao longo de uma fibra óptica. É como se, depois de ter percorrido um pequeno trecho, a onda de luz começasse a "ficar achatada", até desaparecer. Isso não acontece com os sólitons (para entender mais, vejaDescoberta mostra que sólitons, além de ondas, são partículas complexas).

Os sólitons já foram documentados em várias áreas da ciência, incluindo a óptica, a física da matéria condensada, a astrofísica e até a biologia, onde essas ondas podem ser observadas durante a transferência de energia no DNA.

Junção Josephson

E elas podem ocorrer também em uma fina camada isolante ensanduichada entre dois supercondutores - a chamada junção Josephson.

Agora, pesquisadores japoneses do Instituto Riken descobriram um novo tipo de sóliton no interior de uma junção Josephson que pode ser utilizada para medir os efeitos da dilatação do tempo.

Vórtice Josephson

Nessas junções ocorre um fenômeno chamado vórtice Josephson, um campo magnético localizado e espacialmente restrito que pode ser acelerado no interior do material. Quando o vórtice Josephson se aproxima da velocidade da luz naquele material, ele pode começar a sofrer efeitos relativísticos.

Um desses efeitos é a chamada contração de Lorentz, uma contração no comprimento dos sólitons. Mas, até agora, a medição do outro efeito relativístico - a dilatação do tempo - não havia sido conseguido experimentalmente.

Demonstrando a dilatação do tempo

"Tem sido difícil observar a dilatação do tempo para um vórtice Josephson em movimento porque nós precisamos de alguma coisa interna funcionando como um relógio para medir o tempo em seu quadro de referência," explica o professor Franco Nori.

"Nós não encontramos esse relógio nas junções Josephson tradicionais, mas nós descobrimos um que pode existir nos vórtices de junções Josephson grandes e largas," diz ele.

O "relógio" descoberto por Nori e seus colegas é uma onda não-linear que se propaga ao longo dos vórtices Josephson, pertencendo, portanto, ao quadro de referência do próprio vórtice.

As excitações são associadas com distorções nos vórtices, podem assumir virtualmente qualquer formato e se mantêm por um longo tempo enquanto a onda está se propagando. Segundo os pesquisadores, elas funcionam como uma espécie de ponteiro dos minutos de um relógio, mantendo o tempo no quadro de referência do sóliton em movimento.

Aplicações práticas

A descoberta tem grandes implicações, muito além de mais uma comprovação da Teoria da Relatividade.

"Este efeito poderá ser utilizado para transferir informações e em guias-de-onda para [equipamentos operando na frequência da] radiação Terahertz," dizem os pesquisadores.

Bibliografia:

Shape Waves in 2D Josephson Junctions: Exact Solutions and Time Dilation
Physical Review Letters
Vol.: 101, Issue 12
DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.127002

Josephson vortices as flexible waveguides for terahertz waves
Journal of Applied Physics
Vol.: 104, 064507
DOI: 10.1063/1.2979714

fonte:www.inovacaotecnologica.com.br