Nanotecnologia

Experimento filma trajetória e interação de átomos individuais

Com informações da Agência Fapesp -  27/06/2016

No interior de uma câmara de ultra-alto-vácuo, os átomos são aprisionados por uma armadilha magneto-óptica e fortemente excitados por um pulso de laser. Ao receber um pulso elétrico pela ponta de uma agulha (TIP) são arremessados de encontro a um detector (MCP), resultando em uma série de imagens. [Imagem: N. Thaicharoen et al. - 10.1103/PhysRevLett.116.213002]

Interação dipolar

Um experimento inédito filmou a trajetória de átomos individuais e revelou a interação de um átomo conforme ele se aproximava de outro.

O estudo foi realizado pelo brasileiro Luís Felipe Gonçalves, sua colega tailandesa Nithiwadee Thaicharoen e o supervisor dos dois, Georg Raithel, na Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

De forma análoga ao que acontece quando se espalha limalha de ferro sobre uma folha de papel e se coloca por baixo da folha uma barra imantada, possibilitando a visualização das linhas de força do campo magnético, este experimento, com procedimentos muito mais sofisticados, permitiu visualizar o ordenamento espacial dos átomos em reação a um campo elétrico.

Um resultado notável do estudo foi a obtenção experimental do valor numérico do parâmetro da interação dipolar entre dois átomos, que descreve o quanto a energia de um átomo varia em função da distância em relação a outro átomo próximo.

Para o material usado no experimento, o rubídio (Rb), o valor teórico no estado excitado escolhido é de 3,72 x 10^-42 joules vezes metros cúbicos (J.m³) - o experimento permitiu chegar ao valor de 3,3 (± 1,8) x 10^-42 J.m³.

"Foi uma medida direta do parâmetro. E também a primeira visualização, por meio de imagem, desta interação entre dois átomos. Observamos, experimentalmente, que essa interação é de fato anisotrópica, isto é, depende da posição relativa dos átomos," disse Luís Felipe.

Átomo de Rydberg

O experimento foi realizado com átomos de rubídio no interior de uma câmara de ultra-alto vácuo. Aprisionados por uma armadilha magneto-óptica, constituída por três feixes de laser ortogonais e um campo magnético externo, dezenas de milhões de átomos, em seu estado fundamental, foram aprisionados em uma região esférica, com aproximadamente um centímetro de diâmetro, na intersecção das três linhas de luz.

Desse conjunto de dezenas de milhões de átomos, um pequeno número foi excitado por um pulso de laser, que os levou do estado fundamental ao chamado estado de Rydberg, no qual, devido ao aporte de energia externa, os elétrons são deslocados para as camadas mais externas do átomo, mas ainda não se desprendem dele - portanto, sem ionização.

"Nos estados excitados, esses átomos se tornam muito interagentes. E, neste estado especifico, chamado de '50S', a interação é isotrópica e repulsiva. Uma explicação bastante simplificada é dizer que isso acontece porque os elétrons mais externos se distribuem com igual probabilidade em todas as direções. Devido à repulsão eletromagnética das cargas negativas dos elétrons, os átomos se repelem, mas o fazem de forma isotrópica, isto é, independentemente da direção espacial. Para levar o experimento adiante, o próximo passo foi aplicar um campo elétrico sobre o conjunto", afirmou o pesquisador.

O campo elétrico externo polarizou cada átomo excitado, fazendo com que os elétrons mais externos se concentrassem, com maior probabilidade, em uma certa região da camada externa. Assim, embora em seu conjunto o átomo seja eletricamente neutro, uma vez que as cargas positivas do núcleo contrabalançam as cargas negativas dos elétrons, ele passa a se comportar em seu interior como um dipolo elétrico. Algo parecido como um pequeno ímã, com um polo positivo, formado pelo núcleo, e um polo negativo, formado pela região de concentração da nuvem eletrônica.

"Tomamos o cuidado de aumentar a intensidade do campo elétrico muito gradativamente, de modo a produzir uma transformação adiabática, isto é, sem mudança de estado atômico," acrescentou Luís Felipe.

Esquema do efeito (esquerda) e imagens reais de duas de suas fases. [Imagem: N. Thaicharoen et al. - 10.1103/PhysRevLett.116.213002]

Filmando átomos

Uma vez polarizados, os átomos passaram a interagir de forma anisotrópica, atraindo-se ou repelindo-se de acordo com sua posição relativa - mais precisamente, de acordo com o ângulo formado pela direção do campo elétrico externo e o eixo internuclear. "Quando o eixo de polarização dos átomos, que tem a mesma direção e sentido do campo elétrico, se alinha ao eixo internuclear, eles passam a se atrair uns com os outros. E se repelem quando o campo é aplicado na direção ortogonal," descreveu o pesquisador.

Propelidos pela atração ou repulsão elétricas, os átomos puderam evoluir ao longo do tempo no interior da armadilha. Até o instante em que um pulso elétrico muito forte, projetado pela ponta de uma agulha, localizada cerca de 400 micrômetros abaixo da amostra, ionizou os átomos, arrancando os elétrons mais externos e arremessando os íons ao encontro de um detector. "Esse detector possui uma tela de fósforo que apresenta fluorescência a cada vez que é percutida. Assim uma série de imagens, mostrando a posição de cada átomo, foi gerada", explicou Luís Felipe.

Ao ser lançado, o feixe de íons se espalha, de modo que a distância entre dois átomos aumenta. Na armadilha, ela é da ordem de poucos micrômetros. Ao incidir no detector, já é da ordem de milímetros. Essa divergência é controlada e pode ser medida. "Medindo as distâncias de todos os íons, dois a dois, obtivemos, para cada disparo, um conjunto de valores para as coordenadas x e y. E convertemos cada par de valores em um ponto de uma matriz bidimensional de correlação. Cada quadro da matriz corresponde a cerca de 5 mil imagens registradas pelo detector. Quadros sucessivos, gerados a intervalos de tempo de 2 microssegundos, permitiram observar a evolução das interações ao longo do tempo", detalhou Luís Felipe.

Foi a primeira vez que se obteve uma imagem em nível atômico deste efeito. E a medição da evolução das distâncias possibilitou calcular numericamente o valor do parâmetro de interação, confirmando o valor teórico.

Bibliografia:

Atom-Pair Kinetics with Strong Electric-Dipole Interactions
Nithiwadee Thaicharoen, Luís Felipe Gonçalves, Georg Raithel
Physical Review Letters
Vol.: 116, 213002
DOI: 10.1103/PhysRevLett.116.213002

Energia

Pétalas de rosa aumentam eficiência de células solares

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/06/2016

Biomimética: A epiderme de uma pétala de rosa foi replicada na forma de uma camada transparente que é integrada a uma célula solar.[Imagem: Guillaume Gomard/KIT]

Fotossíntese artificial

Pesquisadores alemães replicaram a estrutura das células epidérmicas das pétalas de rosa, que possuem propriedades antirreflexo excepcionais, e as integraram em uma célula solar orgânica.

Com uma superfície semelhante à das rosas, as células solares melhoraram sua capacidade de captar a luz e, em decorrência, de gerar mais energia. A modificação resultou em um ganho de eficiência de pelo menos 12% - os níveis foram maiores dependendo da posição do Sol.

A equipe começou avaliando as propriedades ópticas e, acima de tudo, o efeito antirreflexo das células epidérmicas de várias espécies de plantas. Estas propriedades se mostraram particularmente fortes nas pétalas de rosa, sendo responsáveis pelas cores mais fortes, o que aumenta suas chances de polinização.

A busca nas plantas se justifica porque as células fotovoltaicas têm um mecanismo de funcionamento que lembra a fotossíntese das plantas, no sentido de que a energia da luz é absorvida e transformada em uma forma diferente de energia. Nesse processo, é importante aproveitar a maior porção possível do espectro de luz do Sol e captar a luz de vários ângulos de incidência, já que o ângulo muda com a posição do Sol. E as plantas levaram milhões de anos de evolução aprimorando essa capacidade.

• Folhas artificiais usam clorofila para gerar eletricidade

Folha de rosa artificial

Quando vista sob o microscópio eletrônico, a epiderme das pétalas de rosa se mostra como uma série de microestruturas muitas densas, dispostas sem um padrão aparente, com nervuras adicionais formadas por nanoestruturas também posicionadas aleatoriamente.

A fim de replicar exatamente essa estrutura sobre uma área maior, Ruben Hünig e seus colegas do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe transferiram-na para um molde de polidimetilsiloxano - um polímero à base de silício - e depois prensaram a estrutura negativa resultante sobre uma cola fotossensível, que foi finalmente deixada para curar sob luz ultravioleta.

"Este método fácil e de baixo custo cria microestruturas com uma profundidade e densidade que dificilmente poderiam ser obtidas com técnicas artificiais," disse o professor Guillaume Gomard, coordenador do trabalho.

Depois de curada, a estrutura rugosa em nanoescala, mas fina e transparente quando vista a olho nu, foi colada sobre células solares orgânicas.

O resultado foi um ganho de eficiência na conversão de energia de 12% para a luz incidente verticalmente, mas ainda maior sob ângulos de incidência muito elevados, o que aumenta bastante o rendimento geral da célula solar ao permitir capturar a luz do Sol quando ele está baixo no horizonte.

• Grande avanço na fotossíntese artificial

Bibliografia:

Flower Power: Exploiting Plants' Epidermal Structures for Enhanced Light Harvesting in Thin-Film Solar Cells
Ruben Hünig, Adrian Mertens, Moritz Stephan, Alexander Schulz, Benjamin Richter, Michael Hetterich, Michael Powalla, Uli Lemmer, Alexander Colsmann, Guillaume Gomard
Advanced Optical Materials
DOI: 10.1002/adom.201600046

Criado primeiro compilador para computadores analógicos

Com informações do MIT -  28/06/2016

O processador analógico resolve naturalmente as equações diferenciais que os biólogos usam para descrever a dinâmica dos seres vivos. [Imagem: Jose-Luis Olivares/MIT]

Compilador analógico

Os processadores analógicos podem ter vantagens em várias áreas em relação aos processadores digitais, como imitar o cérebro, por exemplo.

O grande problema é programá-los.

Um problema que agora começa a se tornar menor, graças a um compilador para computadores analógicos, um programa que traduz instruções de alto nível, escritas em uma linguagem compreensível para os seres humanos - as bem conhecidas linguagens de programação - para as especificações de baixo nível dos componentes do circuito analógico - a também bem conhecida linguagem de máquina.

Transístor analógico

Um transístor, um componente concebido em termos digitais, tem dois estados: ligado e desligado, que podem representar os 0s e 1s da aritmética binária.

Em termos analógicos, contudo, um transistor tem um número infinito de tensões, o que poderia, em princípio, representar uma gama infinita de valores matemáticos. A computação digital, com todas as suas vantagens, traça uma linha "no meio" desses valores, estabelecendo um limite para o que significa ligado e desligado, e deixa de lado toda a potencialidade informacional das demais tensões.

Inúmeros experimentos já comprovaram que os computadores analógicos são muito mais eficientes na simulação de sistemas biológicos do que os computadores digitais, já que tudo na natureza é tipicamente analógico. Mas esses protótipos precisam ser programados manualmente, um processo complexo que seria proibitivamente demorado para aplicações em grande escala - seria um pouco mais complexo do que fazer todos os programas dos computadores digitais em linguagem Assembly.

Desta forma, o novo compilador abre o caminho para aplicações analógicas como a simulação de alta eficiência e de alta precisão de órgãos biológicos inteiros - eventualmente até mesmo de organismos inteiros.

• Eletrônica analógica imita reações em células vivas

O grande interesse nos processadores analógicos está na simulação do funcionamento de organismos vivos - que são tipicamente analógicos. [Imagem: Christine Daniloff]

Equações diferenciais

O compilador analógico recebe como entrada equações diferenciais que os biólogos usam para descrever a dinâmica celular, e as traduz em tensões e correntes que fluem através de um processador analógico.

Em princípio o compilador é genérico, funcionando com qualquer chip analógico programável que disponha de uma especificação técnica detalhada, mas os experimentos iniciais foram feitos em umchip analógico desenvolvido pela própria equipe há alguns anos e que vem sendo aprimorado desde então.

O compilador foi testado em cinco conjuntos de equações diferenciais frequentemente utilizados em pesquisa biológica. No conjunto de teste mais simples, com apenas quatro equações, o compilador levou menos de um minuto para gerar uma implementação analógica; no mais complicado, com 75 equações diferenciais, ele levou perto de uma hora. Mas projetar uma aplicação similar à mão levaria de semanas a meses.

Como funciona um processador analógico

De acordo com as leis da física, as tensões e correntes em um circuito analógico precisam se equilibrar. Se essas tensões e correntes codificam variáveis em um conjunto de equações diferenciais, então variar uma irá automaticamente variar as outras. Se as equações descrevem alterações de uma concentração química ao longo do tempo, por exemplo, então fazer variar as entradas ao longo do tempo resultará em uma solução completa para o conjunto completo de equações.

Um circuito digital, por outro lado, precisa fatiar o tempo em milhares ou mesmo milhões de pequenos intervalos e resolver o conjunto completo de equações para cada um deles. E cada transístor no circuito pode representar apenas um de dois valores, em vez de uma faixa contínua de valores.

"Com poucos transistores, circuitos analógicos citomórficos podem resolver equações diferenciais complexas - incluindo os efeitos do ruído - que exigiriam milhões de transistores digitais e milhões de ciclos de relógio digitais," disse o professor Rahul Sarpeshkar, que construiu o compilador analógico juntamente com Sara Achour e Martin Rinard, todos do MIT, nos EUA.

É curioso que o compilador para processadores analógicos, que são capazes de imitar a biologia - que é tipicamente analógica - foi anunciado poucos dias depois do simulador quântico, que é capaz de simular o mundo subatômico e suas partículas porque funciona com base na mecânica quântica, que rege o comportamento dessas partículas - os computadores digitais não são talhados para nenhum dos dois casos.

Bibliografia:

Configuration Synthesis for Programmable Analog Devices with Arco
Sara Achour, Rahul Sarpeshkar, Martin C. Rinard
DOI: 10.1145/2908080.2908116
https://people.csail.mit.edu/sachour/res/pldi16_arco.pdf

Nova geração de células que captam calor solar

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/06/2016

As novas células termossolares - que captam o calor do Sol - são baseadas em um fenômeno conhecido como emissão termoiônica. [Imagem: Chenglong Wan et al. - 10.1016/j.nanoen.2016.05.013]

Célula termossolar

Pesquisadores estão um passo mais próximo de desenvolver uma nova geração de células solares de alta eficiência e baixo custo.

E, conforme eles acenam com "baixo custo", não se assuste com a impressão inicial quando eles contarem os materiais com que estão trabalhando: ouro e diamante.

O sistema que entrou agora na fase de protótipo utiliza carbono amorfo como camada intermediária entre dois filmes finos de ouro - com poucos nanômetros de espessura.

Sobre a camada superior de ouro são traçadas ranhuras cuidadosamente espaçadas, o que torna a estrutura capaz de absorver luz fortemente ao longo de todo o espectro solar, ao mesmo tempo em que minimiza a emissão de irradiação térmica, que significa perda de energia.

O uso de ouro na pesquisa é um primeiro passo rumo a uma metassuperfície que funcione em altas temperaturas, na qual o ouro possa ser substituído por outros metais refratários, como o tungstênio ou o cromo.

Essa célula em desenvolvimento será adequada para aplicações de energia termossolar, com potencial para atingir temperaturas muito mais elevadas do que as superfícies negras simples usadas hoje porque podem minimizar a re-emissão da radiação térmica.

Emissão termiônica

A metassuperfície foi desenvolvida como parte de um projeto cujo objetivo final é desenvolver dispositivos termoiônicos solares à base de diamante, que usam a luz do Sol para aquecer fortemente superfícies, que por sua vez emitem elétrons diretamente para um vácuo ao seu redor.

Quando esses elétrons são coletados por um ânodo mais frio, pode-se produzir energia elétrica com uma eficiência muito superior ao que é possível com o uso de células solares de silício.

"Integrar diamantes dentro de metassuperfícies é muito difícil, e este trabalho é um primeiro passo nesse sentido usando carbono amorfo. A próxima etapa consistirá na realização de testes das estruturas sob alta temperatura e tentar alcançar os cerca de 700 graus Celsius necessários para obter uma emissão termoiônica eficiente," explicou o professor Martin Cryan, da Universidade de Bristol, no Reino Unido.

Bibliografia:

A selective metasurface absorber with an amorphous carbon interlayer for solar thermal applications
Chenglong Wan, Yinglung Ho, S. Nunez-Sanchez, Lifeng Chen, M. Lopez-Garcia, J. Pugh, Bofeng Zhu, P. Selvaraj, T. Mallick, S. Senthilarasu, M. J. Cryan
Nano Energy
Vol.: 26, August 2016, Pages 392-397
DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.05.013

Mapa do tesouro para a refrigeração de estado sólido

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/06/2016

Aplicar uma tensão ao material serve como um meio eficaz para ajustar a temperatura crítica. [Imagem: Claudio Cazorla/Daniel Errandonea]

Geladeira sólida

Geladeiras de estado sólido - que não dependem de compressores e gases - estão no mercado há muitos anos, mas sempre restritas a nichos, como gelar bebidas no carro ou em campings.

O problema é que arefrigeração de estado sólidotem deixado muito a desejar em termos de eficiência, sendo até quatro vezes menos eficiente do que os métodos convencionais usados nos refrigeradores domésticos.

Mas agora há uma esperança.

Até agora, os efeitos mecano-calóricos necessários para as geladeiras sem compressor tinham sido observados apenas em materiais ferroelétricos e em algumas ligas metálicas superelásticas, ambos escassos e muito caros.

A busca por materiais alternativos e mais eficientes ainda vai continuar, mas agora os pesquisadores têm um mapa do tesouro, elaborado por Daniel Errandonea (Universidade de Valência - Espanha) e Cláudio Cazorla (Universidade de Nova Gales do Sul - Austrália).

Fluorita

Os cálculos realizados pela dupla mostram que materiais condutores de íons, como a fluorita (CaF2), podem apresentar um efeito mecano-calórico maior até mesmo do que o grupo ferroelétrico.

E a melhor parte da boa notícia é que a fluorita é muito abundante na natureza, com depósitos em muitos países, podendo custar muito menos mesmo se começar a ser minerada para abastecer uma grande indústria como a dos fabricantes de geladeiras.

Utilizando dinâmica molecular - um método de simulação de computador para estudar os movimentos físicos dos átomos e moléculas - e cálculos de mecânica quântica, a dupla estabeleceu a relação entre a tensão mecânica externa e o transporte iônico nos materiais condutores de íons.

• Geladeira do futuro começa a flexionar seus músculos metálicos

Tenssão para gelar

O resultado mostra que aplicar uma tensão ao material - uma compressão ou uma distensão - serve como um meio eficaz para ajustar a temperatura crítica, sobretudo nos compostos superiônicos - condutores de íons de alta eficiência.

Isto abre o caminho para um projeto mais racional das tecnologias verdes de refrigeração que sejam não só mais ecológicas, mas também mais eficientes do que os métodos convencionais usados para gelar.

Os resultados também deverão ser usados pelos pesquisadores que buscam desenvolver baterias de estado sólido.

Bibliografia:

Giant Mechanocaloric Effects in Fluorite-Structured Superionic Materials
Claudio Cazorla, Daniel Errandonea
NanoLetters
Vol.: 16 (5), pp 3124-3129
DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b00422

Luz ambiente enxerga tudo o que você faz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  23/06/2016

Usando apenas 20 sensores, o software consegue identificar movimentos sutis, como o levantar de uma mão. [Imagem: Xia Zhou Lab/Dartmouth]

Iluminação dedo-duro

Os sensores de presença e movimento e câmeras já estão por toda parte - mas agora a tecnologia de rastreamento indoor deu um passo significativo.

A equipe da professora Xia Zhou, da Universidade Darmouth, nos Estados Unidos, desenvolveu uma tecnologia que permite rastrear com precisão não apenas a presença, mas também os movimentos de uma pessoa em um ambiente.

Em vez de equipamentos especializados, como o Kinect, ou as tradicionais câmeras, a equipe usa a própria luz do ambiente, o que permite monitorar as pessoas "de forma discreta" - sem que elas percebam - em tempo real.

• A tecnologia para fugir da tecnologia

Segundo a equipe, entre as principais aplicações da tecnologia estão a realidade virtual, dispensando o uso de controladores, e o monitoramento de pessoas idosas ou pacientes desacompanhados.

A luz que tudo vê

Além das luzes de lâmpadas de LED no teto, a equipe usou apenas 20 fotossensores embutidos no piso, o que se mostrou suficiente para reconstruir no computador o esqueleto básico do usuário conforme ele se movimenta no ambiente.

Movimentos como levantar e abaixar os braços, andar, sentar e virar são claramente detectados. O software desenvolvido pela equipe, juntamente com a disposição dos sensores, tornou possível eliminar todas as tradicionais fontes de interferência em experimentos desse tipo, como a presença dos móveis.

"Nós estamos transformando a luz em um meio de sensoriamento onipresente que rastreia o que nós fazemos e sente como nos comportamos," disse Zhou.

"Imagine um futuro no qual a luz sabe e responde ao que fazemos. Poderemos interagir de forma natural com objetos inteligentes ao redor, como drones e eletrodomésticos inteligentes e nos divertir com jogos, usando puramente a luz ao nosso redor. Isto também pode permitir um novo paradigma no monitoramento passivo da saúde e do comportamento para promover estilos de vida saudáveis ou identificar os primeiros sintomas de certas doenças. As possibilidades são ilimitadas," entusiasma-se a pesquisadora.

• Paredes têm ouvidos e contam o que ouviram

Sabres de luz? Não exatamente, mas talvez

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/06/2016

Um mediador entre as partículas de luz: uma molécula orgânica medeia a interação entre dois feixes de laser, indicados pelas esferas coloridas no primeiro plano - a energia dos dois feixes se altera quando deixam a molécula.[Imagem: Ella Maru Studio]

Luz que desliga luz

A física atual recomendaria aos cavaleiros Jedi da saga Star Wars que eles se concentrassem mais nos poderes da Força do que nos seus sabres de luz - afinal, dar cacetadas com luz não parece ser algo que seja possível, ou produza qualquer resultado.

O que problema é que espadas laser não poderiam ser usadas em combate como lâminas metálicas porque feixes de luz não sentem um ao outro.

Ou talvez sintam.

Até agora, para que um feixe de luz pudesse sentir outro era necessário um grande pedaço de material como intermediário, e uma luz muito intensa.

Contudo, uma equipe do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, na Alemanha, demonstrou pela primeira vez que é possível usar uma única molécula orgânica como intermediária, e usar apenas um punhado de fótons.

Andreas Maser e seus colegas não apenas influenciaram, mas até mesmo desligaram um outro feixe de luz usando apenas fótons. É apenas luz ligando ou desligando outra luz, sem qualquer interruptor.

Ainda não dá para falar em sabres de luz, mas este experimento fundamental não apenas deverá ocupar seu lugar nos livros didáticos de física, como também irá ajudar no desenvolvimento de transistores nano-ópticos para um futurocomputador fotônico, que funcione à base de luz.

• Moléculas de luz, cristais de pura luz e... sabres de luz

Molécula gigante

O aparato experimental consiste em uma única molécula orgânica, resfriada a -272° C, e dois feixes de laser cuidadosamente orientados.

"O feixe de controle tem a tarefa de modificar as propriedades ópticas da molécula, de modo a torná-la transparente para o segundo, o feixe de prova," explica Andreas.

"A temperaturas muito baixas, a seção transversal de interação da molécula se torna um múltiplo da sua dimensão geométrica," acrescenta seu colega Benjamin Gmeiner. "Assim, a molécula se torna algo como um gigante ilusório, resultando em que quase todos os fótons do feixe de controle podem interagir com a molécula. Portanto, alguns poucos fótons do feixe são suficientes para alterar as propriedades ópticas da molécula."

Assim que o feixe de controle altera a molécula - tornando-a transparente ou não - o outro feixe pode ser bloqueado ou liberado.

Esquema do experimento: as moléculas são as esferas vermelhas no centro. A transmissão do feixe sonda depende da diferença de cor entre os dois feixes. [Imagem: MPI for the Science of Light]

Os pesquisadores estão convencidos de que o pulso de controle pode ser ainda mais fraco do que o utilizado em seu experimento. "Em princípio, um único fóton deve ser suficiente para alterar o destino de um segundo fóton," prevê o professor Vahid Sandoghdar.

Transístor óptico

A equipe pretende continuar a trabalhar para demonstrar o controle de um feixe de luz usando apenas fótons individuais.

Simultaneamente, eles estão se concentrando bastante no lado prático das coisas: a equipe pretende incorporar a molécula intermediária em um transístor óptico dentro de um guia de ondas fotônico, que deverá permitir atrelar várias moléculas, cada uma controlando seu próprio feixe de luz. Isto será um passo importante para o processamento de informações em um processador fotônico.

Desta forma, parece que "processadores Jedi" estão mais próximos da realidade do que sabres de luz.

Bibliografia:

Few-photon coherent nonlinear optics with a single molecule
Andreas Maser, Benjamin Gmeiner, Tobias Utikal, Stephan Götzinger, Vahid Sandoghdar
Nature Photonics
DOI: 10.1038/nphoton.2016.63

Carro elétrico de estudantes bate recorde mundial de aceleração

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/06/2016

Em menos de 30 metros o recorde de aceleração foi detonado, deixando qualquer carro superesportivo de série na poeira. [Imagem: ETH Zurich/Alessandro Della Bella]

Recorde de aceleração

Um carro de corrida elétrico construído por estudantes de engenharia quebrou novamente o recorde mundial de aceleração.

O veículo acelerou de 0 a 100 km/h em 1,513 segundo.

Para alcançar os 100 k/h ele precisou percorrer menos de 30 m da pista na base aérea Dubendorf, perto de Zurique, na Suíça.

Nenhum carro de produção em larga escala - nem mesmo com o mais potente motor a combustão - consegue chegar a uma aceleração comparável.

O carro elétrico da Fórmula Estudante - chamado Grimsel - foi desenvolvido e construído em menos de um ano por uma equipe de 30 estudantes da Escola Politécnica de Zurique (ETH) e da Universidade de Lucerna.

O recorde anterior era de 1,779 segundo, batido no ano passado por uma equipe da Universidade de Stuttgart, na Alemanha. Uma versão anterior do Grimsel já havia sido recordista, com 1,785 segundo.

Formula Student

Graças à utilização de fibra de carbono, o Grimsel pesa apenas 168 kg. Ele possui tração nas quatro rodas, com um motor elétrico no cubo de cada roda, capazes de gerar 200 cv e 1.700 Nm de torque.

Além da motorização, foi essencial um sistema de controle de tração, que regula o desempenho de cada roda individualmente, permitindo otimizar ainda mais a aceleração do carro.

Com mais de 500 equipes competindo, a Fórmula Estudante é a maior competição mundial para estudantes de engenharia e acontece todos os anos em corridas ao redor do mundo. A versão 2016 ocorrerá de 14 a 17 de Julho na pista de Silverstone, na Inglaterra.

Nanotecnologia Simulador quântico vira realidade e vê matéria surgir do vácuo

Nanotecnologia

Simulador quântico vira realidade e vê matéria surgir do vácuo

Redação do Site Inovação Tecnológica -  24/06/2016

O chip de 4 qubits foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas emergem virtualmente "do nada" - do chamado vácuo quântico.[Imagem: IQOQI/Harald Ritsch]

Simulador quântico

Estamos muito longe de compreender totalmente as partículas elementares - os átomos e seus constituintes - porque elas se comportam segundo as leis da mecânica quântica, apresentando comportamentos probabilísticos que são muito difíceis de monitorar.

Se não dá para monitorar ao vivo, a saída é simulá-las em computador. Contudo, como as partículas não obedecem às leis da física clássica, simular seu comportamento em um computador clássico é uma tarefa virtualmente impossível - tente descrever todos os resultados possíveis da interação de apenas duas dessas partículas, por exemplo, e os maiores supercomputadores colocarão a língua de fora muito antes de dar qualquer resultado útil.

A saída então é construir simuladores quânticos, que vão rodar em computadores quânticos, capazes de imitar qualquer comportamento das partículas subatômicas porque seus componentes básicos funcionam com base no mesmo princípio. A ideia é ótima, e os físicos vêm trabalhando nela há algum, aperfeiçoando aos poucos os experimentos, aproximando-se passo a passo de um simulador quântico prático.

Agora eles conseguiram, executando a primeira simulação de um evento quântico real usando um simulador quântico.

Matéria e antimatéria surgem do vácuo

O primeiro grande sucesso na construção e uso prático de um simulador quântico foi anunciado por Esteban Martinez e uma equipe de físicos da Universidade de Innsbruck, na Áustria: em um experimento inédito e histórico, eles simularam partículas quânticas usando um processador quântico básico, com apenas 4 qubits.

A simulação mostrou como pares de partículas e antipartículas emergem do vácuo quântico.

"Nós desenvolvemos agora um novo conceito que nos permite simular a criação espontânea de pares elétron-pósitron a partir do vácuo usando um computador quântico," disse Christine Muschik, membro da equipe - os pósitrons são os equivalentes de antimatéria do elétron.

O processador quântico é composto por quatro íons de cálcio aprisionados eletromagneticamente e controlados por pulsos de laser.

"Cada par de íons representa um par de uma partícula e uma antipartícula," explicou Martinez. "Nós usamos pulsos de laser para simular o campo eletromagnético do vácuo. Então pudemos observar como pares de partículas são criadas por flutuações quânticas de energia desse campo. Observando a fluorescência do íon, nós vemos se as partículas e antipartículas foram criadas. Podemos modificar os parâmetros do sistema quântico, o que nos permite observar e estudar o processo dinâmico da criação do par."

Isto confirma grande parte das expectativas quanto aos simuladores quânticos. Embora computadores quânticos de pleno direito vão exigir muitos mais qubits, mesmo os primeiros processadores que já estão sendo construídos serão de fato extremamente úteis nas pesquisas fundamentais da física. Afinal, um sistema simples, com apenas quatro bits, foi capaz de simular um dos eventos mais intrigantes da mecânica quântica, quando partículas e antipartículas fugazes emergem virtualmente "do nada" - do chamado vácuo quântico.

• Luz é gerada é partir do nada

As partículas (elétrons) e antipartículas (pósitrons) são "sentidas" pelos quatro qubits do simulador, que denunciam sua presença por meio de variações no feixe de laser. [Imagem: Esteban A. Martinez et al. - 10.1038/nature18318]

Combinando diferentes campos da física

Esta demonstração também estabelece uma ponte entre dois campos da física: um experimento de física atômica foi usado para estudar questões da física de alta energia. Enquanto milhares de físicos trabalham nas teorias de alta complexidade do Modelo Padrão e os experimentos propostos são executados em laboratórios grandes e caros, como o LHC, simulações quânticas podem ser realizadas em laboratórios pequenos, em experimentos de mesa.

"Estas duas abordagens se complementam perfeitamente," disse o professor Peter Zoller, um dos pioneiros no campo dos simuladores quânticos. "Não podemos substituir os experimentos que são feitos com aceleradores de partículas. No entanto, com o desenvolvimento dos simuladores quânticos poderemos ser capazes de compreender melhor essas experiências no futuro."

Seu colega Rainer Blatt acrescenta: "Além disso, podemos estudar novos processos utilizando a simulação quântica. Por exemplo, em nosso experimento também investigamos o entrelaçamento de partículas produzidas durante a criação do par, o que não é possível em um acelerador de partículas."

A equipe diz estar convencida de que os futuros simuladores quânticos, maiores e mais poderosos, serão capazes de resolver questões importantes na física de alta energia que não podem ser resolvidos pelos métodos convencionais ou simplesmente construindo aceleradores e colisores maiores.

• Velocidade da luz pode variar e vácuo não existe

Bibliografia:

Real-time dynamics of lattice gauge theories with a few-qubit quantum computer
Esteban A. Martinez, Christine A. Muschik, Philipp Schindler, Daniel Nigg, Alexander Erhard, Markus Heyl, Philipp Hauke, Marcello Dalmonte, Thomas Monz, Peter Zoller, Rainer Blatt
Nature
Vol.: 534, 516-519
DOI: 10.1038/nature18318
https://arxiv.org/abs/1605.0457
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KiloCore: Processador com 1.000 núcleos vira realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  20/06/2016

O chip inteiro consome apenas 0,7 watts, o que significa que ele poderia ser alimentado por uma única bateria AA. [Imagem: Andy Fell/UC Davis]

Processador com mil núcleos

Uma equipe da Universidade da Califórnia em Davis, nos EUA, projetou e construiu um chip multinúcleo (multicore) contendo 1.000 processadores programáveis independentemente.

O KiloCore tem uma taxa máxima de cálculo de 1,78 trilhão de instruções por segundo e contém 621 milhões de transistores de alta eficiência elétrica.

Brent Bohnenstiehl, que desenvolveu a arquitetura do processador "MilNúcleos", explica que, como cada núcleo tem seu próprio clock independente, cada um pode se desligar para economizar ainda mais energia quando não estiver sendo usado.

Isto torna com o KiloCore o processador multinúcleos energeticamente mais eficiente já demonstrado: os mil processadores podem executar 115 bilhões de instruções por segundo dissipando apenas 0,7 watts, o que significa que ele poderia ser alimentado por uma única bateria AA. No geral, o KiloCore é mais de 100 vezes mais eficiente em termos de consumo de energia do que um processador de notebook moderno.

O chip KiloCore foi fabricado em um laboratório da IBM usando tecnologia CMOS de 32 nm, indicando que há margem para melhoria de sua eficiência e velocidade.

Núcleos independentes

No KiloCore, cada núcleo pode executar seu próprio programa independentemente dos outros, o que é uma abordagem fundamentalmente mais flexível do que a abordagem SIMD (Single-Instruction Multiple-Data) utilizada por processadores como as GPUs, usadas nas placas gráficas. A ideia é quebrar uma aplicação em muitas partes pequenas, cada uma das quais pode ser executada em paralelo em diferentes processadores, o que permite maior produtividade com menor uso de energia.

Os núcleos individuais funcionam com uma frequência máxima de 1,78 GHz, e transferem dados diretamente um ao outro, em vez de utilizar uma área de memória comum, que poderia se tornar um gargalo de dados.

A equipe já desenvolveu aplicações para o chip de mil núcleos, incluindo codificação e decodificação de transmissões sem fios, processamento de vídeo, criptografia e outros envolvendo grandes quantidades de dados paralelos, tais como aplicações de dados científicos e processamento de registros de centrais de dados.

Embora muitos chips com uma quantidade de processadores bem maior do que os modelos comerciais venham sendo criados ao longo dos anos, nenhum havia excedido cerca de 300 processadores, de acordo com um levantamento feito pela equipe do professor Bevan Baas. A maioria foi criada para fins de pesquisa e poucos são vendidos comercialmente - igualmente, ainda não há previsão de comercialização do KiloCore.

Luz pode levar 100 vezes mais informações nas fibras ópticas

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/06/2016

Exemplos dos padrões gerados no feixe de luz - são 100 ao todo, codificados usando hologramas traçados em um cristal líquido (esquerda). [Imagem: Abderrahmen Trichili et al. - 10.1038/srep27674]

Padrões de informações

Pesquisadores conseguiram embutir exatos 100 padrões diferentes em um feixe de luz do tipo usado em comunicações ópticas, o que significa que a largura de banda das redes de fibras ópticas atuais pode ser multiplicada por 100 vezes sem nenhuma modificação nas redes.

Os experimentos pioneiros foram feitos pelo estudante Abderrahmen Trichili, da Tunísia, enquanto participava de um curso na Universidade de Wits, na África do Sul.

Os sistemas de comunicações por fibras ópticas codificam os dados na luz modulando a amplitude, fase, polarização, cor e frequência da luz usada para a transmissão. Apesar de todas essas possibilidades, o crescimento da demanda tem colocado cada vez mais próximo o atingimento do limite das redes atuais.

Mas a luz também tem um "padrão" - a distribuição da intensidade da luz, ou seja, como ela aparece ao incidir sobre uma tela ou ser captada pelo sensor de uma câmera.

Como esses padrões são únicos, eles podem ser usados para codificar informações. Assim, o padrão 1 pode levar informações do canal 1, o padrão 2 leva as informações do canal 2 e assim por diante. O que isso significa é que a largura de banda pode ser multiplicada pelo exato número de padrões de luz que for possível usar.

Imagem de um cubo mágico, conforme ela foi transmitida e recebida. [Imagem: Wits University]

Hologramas digitais

Mesmo os mais modernos sistemas de comunicações ópticas usam apenas um padrão, sobretudo pelas dificuldades técnicas de como codificar as informações nesses padrões de luz e como obter as informações de volta no destino.

Abderrahmen Trichili resolveu o desafio usando hologramas digitais traçados em uma pequena tela de cristal líquido, que permitiu obter um holograma codificado com mais de 100 padrões em várias cores - são 100 hologramas individuais combinados em um holograma definitivo, pronto para transmissão e facilmente decodificado no destino.

Outro feito significativo foi ajustar cada holograma individual para corrigir as aberrações ópticas devido à diferença de cor, ao desalinhamento angular e todas as demais variáveis envolvidas. O experimento apresentou uma pequena taxa de erro, que a equipe espera superar com aprimoramentos no aparato utilizado.

A próxima etapa será levar o aparato para fora do laboratório e demonstrar que a tecnologia funciona em condições reais de aplicação.

Bibliografia:

Optical communication beyond orbital angular momentum
Abderrahmen Trichili, Carmelo Rosales-Guzmán, Angela Dudley, Bienvenu Ndagano, Amine Ben Salem, Mourad Zghal, Andrew Forbes
Nature Scientific Reports
Vol.: 6, Article number: 27674
DOI: 10.1038/srep27674

Camuflagem torna eletricidade e calor "invisíveis"

Redação do Site Inovação Tecnológica -  21/06/2016

A camuflagem é o anel de cobre que circunda o sensor - o sensor é o disco interno. [Imagem: National University of Singapore]

Sensor com invisibilidade

Uma camuflagem inspirada no camaleão, e feita com apenas uma fina camada de cobre, é a primeira capaz de tornar sensores invisíveis tanto à detecção termal, quanto à detecção elétrica.

As tecnologias atuais que tornam os sensores "invisíveis" costumam diminuir sua eficiência, ou só funcionam em aspectos específicos, seja termal ou elétrico, mas não em ambos.

"Nós projetamos uma concha de camuflagem que não só imita os campos térmicos circundantes, mas também os campos elétricos, ambos ao mesmo tempo. O objeto sob a camuflagem torna-se verdadeiramente invisível, já que a sua forma e sua posição não podem ser detectadas nem por imagens térmicas e nem elétricas," explicou o professor Qiu Cheng-Wei, da Universidade Nacional de Cingapura.

Espionagem e danos ambientais

A concha que envolve o sensor é formada por uma fina camada de cobre puro precisamente trabalhada, projetada para reduzir drasticamente a perturbação do fluxo de calor e da corrente elétrica simultaneamente - ela se enquadra no campo das metassuperfícies e dos metamateriais.

A camuflagem é fina o suficiente para permitir a manipulação precisa dos campos externos para isolar o sensor, sem que os sinais de entrada, a serem detectados pelo sensor, sejam bloqueados. Na verdade, ao eliminar as distorções em volta, a camuflagem torna o sistema mais sensível.

E não se trata apenas de espionagem: ao isolar os sensores, o escudo de camuflagem os protege de danos induzidos por um ambiente inóspito, muito quente ou com grandes interferências elétricas, por exemplo.

Camaleão 2.0

O projeto da camuflagem foi inspirado pelo camaleão.

"A pele de um camaleão é composta de várias camadas de células especializadas contendo vários tipos de pigmento, enquanto a camada mais externa é transparente. As células sob a pele mudam de cor com base na intensidade da luz e da temperatura, bem como com o humor do camaleão. A invenção da nossa equipe pode ser vista como uma 'pele melhorada' para o camaleão, uma vez que ele vai se tornar invisível quando aparecer na frente de detectores de sinais termais e elétricos," disse Qiu.

Microbaterias vão parar no interior dos chips

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/06/2016

Não adianta procurar pela bateria - você não conseguirá vê-la. [Imagem: Kestutis Grigoras et al. - 10.1016/j.nanoen.2016.04.029]

Aparelhos sem baterias

Pesquisadores finlandeses criaram uma tecnologia que permite inserir microbaterias recarregáveis dentro dos chips, virtualmente sem ocupar espaço.

Além de tornar possível um novo nível de miniaturização, esta parece ser a solução ideal para a Internet das Coisas e para as redes de sensores autônomos - em ambos os casos, o projeto ideal contempla dispositivos minúsculos que nunca dependam da troca de baterias.

Para que pequenos aparelhos e sensores funcionem ininterruptamente, mesmo em locais remotos, a abordagem preferida é a da colheita de energia, em que o dispositivo funciona gerando sua própria energia, a partir das vibrações do ambiente, do calor ou da luz, geralmente através de nanogeradores.

Mesmo assim tem sido necessário manter uma pequena bateria recarregável junto ao aparelho, já que a energia gerada instantaneamente pode não ser suficiente, ou a fonte de energia pode não estar disponível no momento em que o aparelho precisar funcionar.

Supercapacitor

Kestutis Grigoras, do Centro de Pesquisas Técnicas VTT, desenvolveu uma técnica que permite fabricar baterias minúsculas no interior dos chips ou da placa de circuito impresso, sem atrapalhar a inserção dos demais componentes.

Tecnicamente não é exatamente uma bateria, mas um supercapacitor - enquanto as baterias comuns usam reações químicas para armazenar energia, os supercapacitores armazenam principalmente energia eletrostática, que fica guardada na interface entre eletrodos sólidos e líquidos. Assim, a energia armazenada e a densidade de potência de um supercapacitor dependem da área superficial dos seus eletrodos e da condutividade destes.

Grigoras desenvolveu um nanomaterial que consiste em silício poroso recoberto com uma camada de nitreto de titânio com poucos nanômetros de espessura. O resultado é um eletrodo com uma superfície condutora recorde, em um pequeno volume.

Estrutura do "micro-supercapacitor", inserido dentro de uma pastilha de silício. [Imagem: Kestutis Grigoras et al. - 10.1016/j.nanoen.2016.04.029]

Bateria embutida na placa

A inclusão de um líquido iônico entre um microcanal formado entre dois eletrodos construídos com o novo nanomaterial resultou em um "micro-supercapacitor" minúsculo e muito eficiente - pela primeira vez, um supercapacitor à base de silício superou seus equivalentes à base de carbono e grafeno.

O protótipo é capaz de armazenar 0,2 joule de energia e gerar impressionantes 2 watts em apenas um centímetro quadrado de chip - sem ocupar a superfície do chip, que fica totalmente disponível para os circuitos integrados e sensores.

Bibliografia:

Conformal titanium nitride in a porous silicon matrix: A nanomaterial for in-chip supercapacitors
Kestutis Grigoras, Jari Keskinen, Leif Grönberg, Elina Yli-Rantala, Sampo Laakso, Hannu Välimäki, Pertti Kauranen, Jouni Ahopelto, Mika Prunnila
Nano Energy
Vol.: 26, Pages 340-345
DOI: 10.1016/j.nanoen.2016.04.029