Sensor vai tentar capturar "nova física" - antes que seja tarde para nós Redação do Site Inovação Tecnológica

Sensor vai tentar capturar "nova física" - antes que seja tarde para nós

Redação do Site Inovação Tecnológica -  27/11/2017

Estrutura do detector SciFi, vendo-se à frente as "esteiras" de fibras ópticas. [Imagem: LHCb/Univ.Heidelberg]

SciFi

O LHC (Grande Colisor de Hádrons), produz centenas de milhões de colisões de prótons por segundo. Mas os físicos que trabalham no experimento LHCb, um dos grandes detectores do laboratório, só conseguem gravar 2.000 dessas colisões por segundo.

Assim, o maior laboratório do mundo deixa os físicos querendo mais - eles estão convencidos de que o vasto volume de dados não capturados contém respostas para várias questões não resolvidas. Afinal, eles sabem que o Modelo Padrão - a teoria que melhor descreve os fenômenos em nível atômico e subatômico - não está completo.

Esta busca por uma "nova física" - a física além das teorias e modelos que conhecemos - poderia explicar, por exemplo, onde está a antimatéria que deveria ter sido criada após o Big Bang ou mostrar partículas ainda mais elementares.

"Para extrair mais informações dos dados do LHC, nós precisamos de novas tecnologias para o nosso detector LHCb," defende Aurelio Bay, da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça.

E, após cinco anos de trabalho, os cerca de 800 físicos do mundo todo envolvidos no projeto LHCb acabaram de definir o que será necessário fazer para atualizar o experimento, aumentando sua capacidade de coletar dados.

Eles decidiram construir um novo detector - um rastreador de fibra cintilante chamado SciFi, que deverá entrar em operação em 2020.

Fibras cintilantes

O novo rastreador de partículas vai utilizar 10.000 quilômetros de fibras ópticas cintilantes, cada uma com um diâmetro de 0,25 mm. Quando as partículas viajarem através delas, as fibras vão liberar sinais de luz que serão capturados por diodos amplificadores de luz.

Fibras ópticas como essa, com 0,25 mm de espessura, serão responsáveis pela coleta de mais dados do LHC. [Imagem: EPFL]

As fibras cintilantes serão organizadas em três painéis medindo cinco por seis metros cada um, instalados atrás de um ímã, onde as partículas saem do ponto de colisão dentro do acelerador LHC. As partículas passarão por várias dessas "esteiras de fibra" e depositarão parte de sua energia ao longo do caminho, produzindo alguns fótons de luz que serão então transformados em um sinal elétrico.

Os dados sobre como as partículas atravessam as fibras serão suficientes para reconstruir sua trajetória. Os físicos então usarão essas informações para restaurar seu estado físico primitivo. "O que nós essencialmente faremos é traçar a jornada dessas partículas de volta ao seu ponto de partida. Isso deve nos dar uma visão do que aconteceu há 14 bilhões de anos, antes de a antimatéria desaparecer, deixando-nos a matéria que temos hoje," disse Bay.

Antes que seja tarde

Em um mundo ideal, os físicos coletariam e analisariam todos os dados produzidos pelo colisor, mas isso envolveria analisar uma quantidade descomunal de dados. O SciFi será um componente chave para coletar dados à velocidade máxima, pois incluirá filtros que estão sendo projetados para preservar apenas dados úteis.

"Nós já podemos estar no limite, porque, é claro, temos que salvar os dados em algum lugar. Em primeiro lugar, usamos o armazenamento magnético e depois distribuímos os dados no LHC GRID, que inclui máquinas na Itália, Holanda, Alemanha, Espanha, na França e no Reino Unido. Muitos países estão participando e numerosos estudos sobre esses dados estão sendo realizados simultaneamente," acrescentou Bay.

"Se o LHC não tiver a energia suficiente para descobrir novas físicas, tudo acabou para a minha geração de físicos! Teremos que criar uma nova máquina, para a próxima geração," finalizou Bay.

Supercondutividade deve-se ao nióbio, não ao seu composto Com informações da Agência Fapesp

Supercondutividade deve-se ao nióbio, não ao seu composto

Com informações da Agência Fapesp -  28/11/2017

Os filamentos de coloração branca correspondem à fase minoritária, com cerca de 98% de nióbio e 2% de boro, responsável pela supercondutividade. Já as regiões acinzentadas, em maior fração volumétrica, correspondem ao monoboreto de nióbio propriamente dito.[Imagem: F. Abud et al. - 10.1103/PhysRevMaterials.1.044803]

Confusão supercondutora

Por mais de 65 anos, um composto de nióbio e boro, chamado monoboreto de nióbio (NbB), foi considerado um exemplo clássico de um material supercondutor, um material no qual a corrente elétrica flui livremente, com resistência virtualmente zero.

Mas esse "conhecimento", registrado nos manuais de física da matéria condensada e em inúmeros artigos científicos especializados, foi agora contestado por pesquisadores das universidades de São Paulo (USP) e Estadual de San Diego (EUA).

Os físicos descobriram que a supercondutividade detectada no material não é produzida pelo próprio monoboreto de nióbio (NbB), mas por filamentos de nióbio quase puro que margeiam os grãos microscópios do material.

"Sabemos que o elemento nióbio (Nb), sozinho, apresenta supercondutividade quando resfriado a temperaturas muito baixas, da ordem de 9,2 Kelvin (K). Agora, descobrimos que isso não ocorre com o monoboreto de nióbio (NbB) propriamente dito. Ocorre que, nas amostras de NbB, existe uma grande fração volumétrica de NbB, mas também uma pequena quantidade de Nb quase puro. São duas fases cristalinas distintas que coexistem nos materiais estudados. É essa fase minoritária, composta por aproximadamente 98% de nióbio e 2% de boro, que se comporta como supercondutora," explica o professor Renato de Figueiredo Jardim.

Nióbio puro

Os pesquisadores observaram que, mesmo ocorrendo em uma pequena fração volumétrica, a fase minoritária (Nb_0,98B_0,02) é supercondutora e forma uma rede tridimensional através da qual a corrente elétrica pode transitar de uma extremidade a outra do material.

É muito provável que essa característica tenha confundido os descobridores originais da supercondutividade no NbB, levando-os a atribuir a supercondutividade abaixo de aproximadamente 9 Kelvin a esse composto.

"Identificamos claramente essa estrutura reticular por meio da microscopia eletrônica de varredura. Essa evidência visual foi, por assim dizer, uma prova qualitativa da propriedade. Mas não podíamos sustentar a nossa hipótese apenas neste ponto. Era preciso ir adiante, buscando também uma prova quantitativa, e foi isso que fizemos, aplicando um modelo termodinâmico aos dados tomados nos materiais estudados. Por meio dele, obtivemos então a comprovação procurada," explicou Jardim.

Segundo o pesquisador, não há, atualmente, expectativa de aplicação tecnológica para o monoboreto de nióbio. "Mas existe um 'primo' dele, o diboreto de magnésio (MgB2), que passou a despertar grande interesse desde o início da década passada. Pode ser que nossa pesquisa venha contribuir para sua aplicação tecnológica", disse.

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Supercondutividade e diamagnetismo

Do ponto de vista macroscópico, a supercondutividade é uma propriedade exibida por certos materiais que, abaixo de uma dada temperatura, passam a conduzir corrente elétrica sem nenhuma perda de energia, isto é, sem resistência elétrica.

"Concomitantemente a essa propriedade macroscópica existe outra propriedade, também macroscópica, que é o chamado 'diamagnetismo perfeito'," disse Jardim. Essa segunda propriedade faz com que um supercondutor, na presença de um campo magnético, expulse todo o fluxo magnético do seu interior.

O diamagnetismo está presente em todos os materiais. Porém, é muitas vezes tão fraco que sua manifestação fica encoberta pela presença de outras respostas magnéticas mais robustas, como o ferromagnetismo - que faz o material ser atraído pelo campo magnético externo - e o paramagnetismo - que faz os dipolos magnéticos atômicos se alinharem paralelamente ao campo magnético externo.

Quando a resposta diamagnética é suficientemente forte, como ocorre nos supercondutores, a repulsão provocada pelo campo magnético pode fazer o material levitar, um fenômeno explorado por alguns trens de alta velocidade.

Bibliografia:

Absence of superconductivity in NbB
F. Abud, L. E. Correa, I. R. Souza Filho, A. J. S. Machado, M. S. Torikachvili, R. F. Jardim
Physical Review Materials
Vol.: 1, 044803
DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.044803

Técnica de soldagem expande uso das ligas de aço de alta resistência Com informações da Agência Fapesp

Técnica de soldagem expande uso das ligas de aço de alta resistência

Com informações da Agência Fapesp -  27/11/2017

O método inovador de soldagem a laser em altas temperaturas gera uma microestrutura conhecida como bainita, em vez da mais quebradiça martensita. [Imagem: M. S. F Lima et al. (2017)]

Ligas de alta resistência

Um pesquisador brasileiro desenvolveu uma nova técnica de soldagem que deverá viabilizar o uso das mais recentes ligas de aço de alta resistência pelas indústrias automobilística e aeroespacial.

Capazes de apresentar maior rigidez e melhor capacidade de absorver choques durante uma colisão, essas ligas de alta resistência já vêm sendo usadas em locais da carroceria dos veículos que são críticos para a segurança, com o objetivo de absorverem energia durante um impacto.

Contudo, algumas dessas ligas acabam endurecendo muito durante a soldagem, perdendo elasticidade e tornando-se quebradiças. Assim, ao serem submetidas ao processo de conformação por uma prensa, em que as chapas soldadas ganham a forma da peça desejada, elas acabam quebrando.

"Isso inviabiliza a utilização desses aços avançados não só na indústria automotiva, mas em outras áreas, como a aeroespacial," disse Milton Sérgio de Lima, pesquisador do Instituto de Estudos Avançados da Aeronáutica.

Bainita

Para resolver este problema, Milton desenvolveu um método inovador de soldagem a laser em altas temperaturas que soluciona essa deficiência do processo produtivo. Sua demonstração envolveu o aço 22MnB5, a liga considerada mais promissora para a indústria no processo de conformação a quente.

A técnica consiste no aquecimento das chapas de aço a temperatura em torno de 450 ºC, 10 minutos antes da soldagem a laser, de forma a equalizá-las. Depois de soldadas, as chapas são mantidas em temperatura elevada durante outros 10 minutos, para dar origem a uma estrutura interna do aço chamada bainítica. Trata-se de um microconstituinte do aço que apresenta altos valores de tenacidade - a quantidade de energia que um material pode absorver antes de fraturar - e resistência à força de tensão.

As placas soldadas com a nova técnica apresentaram bainita na microestrutura e dureza bastante reduzida em comparação com as chapas soldadas a temperatura ambiente, que apresentavam o microconstituinte martensita, de menor tenacidade e resistência à força de tensão em comparação com a bainita.

Os testes de resistência à tração - quantidade de força necessária para quebrar um material por estiramento - também revelaram que as chapas submetidas à soldagem a temperatura mais elevada apresentaram maior tenacidade.

"Conseguimos produzir soldas resistentes diretamente na faixa bainítica, sem a necessidade de tratamentos térmicos extras", contou Milton, completando que a técnica pode ser facilmente aplicada no setor industrial para melhorar a soldagem a laser de ligas de aço de alta e ultra-alta resistência mecânica.

Automotiva e aeroespacial

A indústria automotiva utiliza a soldagem a laser para unir chapas de aço (blanques) e fazer a estampagem para produzir componentes estruturais da carroceria de automóveis, como colunas, trilhos para tetos e laterais, além de túneis e barras para as portas, de forma mais rápida e confiável do que a soldagem convencional.

Na área aeroespacial, a soldagem a laser tem sido usada por fabricantes de aeronaves, como Boeing e Airbus, e algumas pequenas empresas do setor aeroespacial na Europa, com o objetivo de aumentar a confiabilidade na soldagem de estruturas para aeronaves, foguetes, mísseis, satélites, além de veículos de reentrada atmosférica, antenas, sistemas embarcados e drones.

"As estruturas para aplicação nessa área têm que ser capazes de resistir a temperaturas e pressões extremas. Por isso, precisam apresentar níveis de confiabilidade muito elevados", disse Milton.

Apesar de os estudos estarem em estágio inicial, estima-se que o aço bainítico pode se tornar um excelente material para blindagens por absorver muito bem a energia mecânica, explicou o pesquisador. "Há muitos materiais desenvolvidos pela indústria aeroespacial que não chegam a voar em razão dos critérios elevadíssimos de confiabilidade. Mas, muitas vezes, alguns subprodutos deles podem ter aplicações e ser facilmente introduzidos em outros setores, como a indústria automotiva", detalhou.

Bibliografia:

Microstructure and Mechanical Behavior of Induction Assisted Laser Welded AHS Steels
Milton Sérgio Fernandes de Lima, Devon Gonzales, Stephen Liu
Welding Journal
Vol.: 96, 376-388

Filtro fotônico pega luz branca e gera a cor que você quer Redação do Site Inovação Tecnológica

Filtro fotônico pega luz branca e gera a cor que você quer

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/11/2017

A cor gerada depende do ângulo de incidência da luz. [Imagem: Matthew S. Davis et al. - 10.1038/s41467-017-01268-y]

Filtro de frequências

Este pequeno dispositivo fotônico consegue fazer duas coisas que o tornam digno de uma longa série de elogios superlativos: ele divide um feixe de luz branca em suas cores componentes com base na direção da iluminação; ou dirige as cores para um determinado conjunto de ângulo de saída.

Parece pouco elucidativo?

Então imagine um pequeno aparelho que inunde cada cômodo de sua casa com um tom diferente do arco-íris - talvez azul para a sala de estar, verde para a cozinha, algum tom pastel para o quarto, e assim por diante.

Como esse filtro de luz também é muito pequeno - suas dimensões estão em nanoescala - pode-se igualmente imaginá-lo gerando as luzes vermelha, verde e azul para os píxeis de telas; ou dividindo a luz do Sol para diversas células solares, cada uma otimizada para um comprimento de onda; ou detectando a direção da luz para medir a espessura de materiais; e assim por diante.

"Nosso filtro direcional, com sua arquitetura aperiódica, pode funcionar de muitas maneiras que não são fundamentalmente realizáveis com um dispositivo como uma grade, que possui uma estrutura periódica. Com este dispositivo ajustável, podemos manipular vários comprimentos de onda de luz simultaneamente," afirmou Amit Agrawal, do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia dos EUA.

Ao citar as grades, o pesquisador compara o novo componente fotônico com os pentes de frequências ópticas - ou grades de frequências -, que valeram o Prêmio Nobel de Física de 2005 a John Hall e Theodor Hansch, que consistem de uma multiplicidade de linhas espectrais vizinhas, alinhadas em um padrão regular.

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O cálculo dos padrões de ranhuras é direto, dispensando aproximações. [Imagem: Matthew S. Davis et al. - 10.1038/s41467-017-01268-y]

Filtro de cores

Este novo filtro é diferente das grades justamente por não possuir o padrão regular. Em vez disso, ele é formado por um conjunto de linhas ou círculos concêntricos entalhados em uma película metálica, ranhuras essas muito menores do que o comprimento de onda da luz visível.

Isso permitiu diminuir o tamanho do filtro e o tornaram muito mais versátil do que uma grade. Por exemplo, as ranhuras não uniformes - ou aperiódicas - podem ser adaptadas para enviar um determinado comprimento de onda - uma determinada cor da luz - para qualquer local desejado. E calcular a profundidade e a posição de cada ranhura é mais simples do que no caso das grades, já que os cálculos são diretos, dispensando aproximações.

Seu funcionamento baseia-se na plasmônica, ou nos plásmons de superfície, quasipartículas representadas por elétrons na superfície de um metal que ondulam quando o metal é atingido pela luz. As ranhuras manipulam essas ondas da forma desejada, reconvertendo-as em fótons de comprimentos de onda específicos.

• Chip fotônico transmite 2 milhões de canais HD simultaneamente

Bibliografia:

Aperiodic nanoplasmonic devices for directional colour filtering and sensing
Matthew S. Davis, Wenqi Zhu, Ting Xu, Jay K. Lee, Henri J. Lezec, Amit Agrawal
Nature Communications
Vol.: 8, Article number: 1347
DOI: 10.1038/s41467-017-01268-y

A incrível eficiência energética da vida Redação do Site Inovação Tecnológica

A incrível eficiência energética da vida

Redação do Site Inovação Tecnológica -  30/11/2017

Será que foi a evolução que gerou a eficiência energética da vida, ou foi a eficiência energética que guiou a evolução? [Imagem: Zighuo.he/Wikimedia Commons]

Evolução e computação

Toda a vida na terra executa cálculos e todos os cálculos parecem requer energia.

Esse assunto tem sido alvo de bastante controvérsia ultimamente, envolvendo o chamado Limite de Landauer. Alguns afirmam que pode ser possível fazer computação sem consumo de energia, enquanto outros acreditam que o Limite de Landauer não é tão limitador assim.

Polêmicas teóricas à parte, Christopher Kempes se reuniu com colegas do visionário Instituto Santa Fé, nos EUA, para pesquisar o custo energético da computação biológica.

Da ameba unicelular aos organismos multicelulares, como os seres humanos, um dos cálculos biológicos mais básicos, comuns em toda a vida, é a "tradução" - processar a informação em um genoma e escrevê-la na forma de uma proteína.

Embora de fato consuma energia, a equipe conseguiu demonstrar que a tradução é um processo altamente eficiente do ponto de vista energético.

Eficiência energética da vida

Para entender como a vida evoluiu na Terra, Kempes defende que precisamos primeiro entender as restrições dessa evolução. Uma restrição que não foi amplamente estudada até agora é como as leis da termodinâmica restringem a função biológica, o que poderá nos dizer se a seleção natural favoreceu organismos com alta eficiência computacional.

Para medir a eficiência energética da tradução - o processo biológico pelo qual a sequência de uma molécula de RNA mensageiro é utilizada para ordenar a síntese da sequência de aminoácidos que forma uma proteína -, a equipe partiu justamente do Limite de Landauer.

"O que descobrimos é que a tradução biológica é cerca de 20 vezes menos eficiente do que o limite físico inferior absoluto. E isso é cerca de 100.00 vezes mais eficiente do que um computador," contou Kempes.

A replicação do DNA, outra computação básica comum em toda a vida, consome cerca de 165 vezes mais energia do que o Limite de Landauer. "Isso não é tão eficiente quanto a tradução biológica, mas ainda é incrivelmente bom em comparação com os computadores," acrescentou.

Agora a equipe pretende ampliar seus cálculos para verificar a eficiência termodinâmica de cálculos biológicos de alto nível, como o pensamento, e, finalmente tentar entender a importância que a eficiência energética tem para a seleção natural.

"Em última análise, nós queremos conectar tudo isso com a teoria da ciência da computação, não só para explorar esse tipo de coisa para a ciência da computação, mas também para ver se a teoria da ciência da computação tem algo a nos dizer sobre as células," disse o professor David Wolpert, coautor da pesquisa.

Bibliografia:

The thermodynamic efficiency of computations made in cells across the range of life
Christopher P. Kempes, David Wolpert, Zachary Cohen, Juan Pérez-Mercader
Philosophical Transactions of the Royal Society A
DOI: 10.1098/rsta.2016.0343

Brasileiros explicam funcionamento de transístor quântico Com informações da Agência Fapesp

Brasileiros explicam funcionamento de transístor quântico

Com informações da Agência Fapesp -  30/11/2017

O nanotransístor funciona com uma corrente elétrica constituída pela passagem de um único elétron por vez. [Imagem: Luis G. G. V. Dias da Silva et al. - 10.1103/PhysRevLett.119.116801]

Nanotransistores

Transistores capazes de funcionar com uma corrente elétrica constituída pela passagem de um único elétron por vez estão no horizonte das pesquisas em curso na área de informática. Como passa um elétron de cada vez, o "zero" e o "um" binários são associados ao trânsito ou não do elétron.

Isso permite reduzir drasticamente o uso do espaço, acelerando a miniaturização, e o consumo de energia dos computadores.

Em 2015, uma equipe do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) apresentou um nanocircuito totalmente funcional baseado nesse princípio da passagem de elétrons individuais.

O problema é que a equipe não conseguiu esclarecer todo o mecanismo de funcionamento do nanotransístor - a coisa funcionava, mas eles não entendiam exatamente como.

Esse problema teórico agora foi resolvido por um grupo de pesquisadores da USP, Universidade Federal Fluminense, Universidade Federal de Uberlândia e Universidade de Ohio (EUA).

A figura mostra a fonte (source), o dreno (drain), o ponto quântico (dot) e a cavidade (cavity). Os elétrons podem transitar diretamente da fonte para o dreno, através do ponto quântico. Ou ir para a cavidade primeiro, sofrer reflexão e descrever uma trajetória complexa, antes de alcançar o dreno. [Imagem: Luis G. G. V. Dias da Silva et al. - 10.1103/PhysRevLett.119.116801]

Transístor quântico

"Devido à escala muito pequena, a transmissão de elétrons de uma parte para outra [do nanotransístor] sofre efeitos quânticos. Isso significa, entre outras coisas, que os elétrons em trânsito apresentam tanto propriedades características de partículas quanto propriedades características de ondas," explica o professor Luis Gregório da Silva.

Circuitos com apenas um ponto quântico - região bem pequena, da ordem de algumas dezenas de nanômetros, em que os elétrons ficam confinados - têm sido estudados desde os anos 1990. Mas, neste novo componente, além do ponto quântico foi acoplada também uma cavidade, uma região um pouco maior, com uma borda curva que funciona como um anteparo, uma espécie de espelho. Os elétrons saem do ponto quântico e são rebatidos pela superfície curva da cavidade, sendo temporariamente aprisionados.

Ocorre que, quando a cavidade está fracamente acoplada ao ponto quântico, há um pico no valor da condutância cada vez que passa um elétron. Quando a cavidade fica fortemente acoplada, os picos transformam-se em vales.

"A transição de picos para vales não estava sendo compreendida pelos pesquisadores na Suíça e foi esse o problema que nos propusemos a estudar e conseguimos resolver. Nossos cálculos teóricos para os dois regimes - acoplamento fraco e acoplamento forte - mostraram um comportamento qualitativo que corresponde exatamente àquele observado no experimento. Assim, oferecemos uma explicação bastante natural para o que o experimento detectou.

"Devido à natureza quântica da energia, os níveis energéticos acessíveis aos elétrons não são contínuos, mas discretos. Com a variação do potencial eletrostático, é possível alinhar esses níveis com a energia do elétron que tenta atravessar o ponto quântico. Quando ocorre o alinhamento, é como se fosse aberta uma porta na parede repulsiva, constituída pelas cargas negativas, e o elétron tem grande probabilidade de passar," detalhou Luis.

É essa passagem do elétron que gera o pico na condutância. Depois da passagem, o valor da condutância volta a cair por efeito da barreira eletrostática, o chamado Bloqueio de Coulomb, em referência ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), pioneiro no estudo da eletrostática.

"Como a energia é quantizada, a variação do potencial possibilita obter outros alinhamentos e abrir outras portas. Assim, o gráfico da variação da condutância em função da variação de potencial apresenta uma sucessão de picos separados por vales. Cada pico corresponde ao tunelamento de um elétron através da barreira," disse Dias da Silva.

A introdução da cavidade aumenta muito o número de possibilidades de transição da fonte para o dreno do nanotransístor. [Imagem: Luis G. G. V. Dias da Silva et al. - 10.1103/PhysRevLett.119.116801]

Piscina de elétrons

A situação se complica quando é incluída a cavidade porque, além da abertura das portas, ocorre também o efeito de interferência, decorrente do comportamento ondulatório do elétron. Guardadas as devidas proporções, o fenômeno é semelhante ao que ocorre quando ondas mecânicas se propagam na superfície de uma piscina, onde a interferência entre as ondas que vão e as ondas que vêm gera efeitos de adição ou subtração - as ondas se reforçam ou se anulam.

"A onda do elétron rebatido pela superfície da cavidade interfere com a onda do elétron proveniente do ponto quântico rumo ao dreno. A interferência pode ser construtiva ou destrutiva. É a interferência destrutiva que produz os vales," disse o pesquisador.

"A introdução da cavidade aumenta muito o número de possibilidades de transição da fonte para o dreno. O que fizemos foi uma extensão ou generalização da fórmula de Meir-Wingreen [fórmula para o cálculo da condutância elétrica em sistemas quânticos], de modo a contemplar a maior complexidade do fenômeno. Ao fazer essa generalização conseguimos explicar teoricamente os resultados experimentais obtidos pelo grupo da Suíça," detalhou Dias da Silva.

Aplicações práticas

É importante destacar que, embora o funcionamento do transístor seja todo fundamentado nos princípios da mecânica quântica, não se trata de computação quântica, mas de tirar proveito de efeitos quânticos no contexto de circuitos clássicos.

O inconveniente é que todo o circuito funciona a temperaturas muito baixas, inferiores a 4 Kelvin, o que exige uma refrigeração com hélio líquido, o que é um obstáculo para o uso comercial desses nanotransistores.

Mas isso não impede que ele se insira nas áreas de fronteira da pesquisa industrial, com um horizonte de aplicação prática.

"Os circuitos clássicos, com várias aplicações tecnológicas nos dispositivos de uso cotidiano, são bastante complicados. Mas as leis que permitem calcular a corrente em cada parte do circuito são bem conhecidas e fáceis de aplicar. No caso dos circuitos em que a mecânica quântica domina, ainda há muito que investigar para saber como as correntes se comportam. Existe o viés de aplicação na eletrônica, mas também existe muita física básica a ser aprendida," destacou Luis Gregório.

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Bibliografia:

Conductance and Kondo Interference beyond Proportional Coupling
Luis Gregório G. V. Dias da Silva, Caio H. Lewenkopf, Edson Vernek, Gerson Ferreira Júnior, Sergio E. Ulloa (Ohio University).
Physical Review Letters
Vol.: 119, 116801
DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.116801

Faça você mesmo: Transforme seu smartphone em um microscópio científico Redação do Site Inovação Tecnológica

Faça você mesmo: Transforme seu smartphone em um microscópio científico

Redação do Site Inovação Tecnológica -  29/11/2017

Esquema de funcionamento e construção e foto do protótipo do microscópio baseado no celular. [Imagem: University of Houston]

Microscópio no celular

Pesquisadores da Universidade de Houston, nos EUA, divulgaram um projeto livre para que qualquer interessado possa transformar seu smartphone em um microscópio.

Yulung Sung e seus colegas demonstraram que um smartphone básico, equipado com uma lente plástica de baixo custo, pode ser convertido em um microscópio capaz de fazer microscopia de fluorescência, detectar patógenos transmitidos pela água e executar outras funções de diagnóstico.

"O microscópio de fluorescência é um pau para toda obra, usado em biologia, diagnóstico médico e outros campos para revelar informações sobre as células e tecidos que não podem ser detectadas de outra forma," disse o professor Wei-Chuan Shih, coordenador do projeto.

A ideia é que o projeto de hardware livre permita que técnicas de imagem sofisticadas sejam levadas para áreas mais pobres e sem recursos. Mas o celular-microscópio também pode ter aplicações pessoais, como permitir aos mochileiros uma maneira fácil de testar a existência de agentes patogênicos em rios e riachos antes de beber sua água.

"Nós realmente esperamos que qualquer um que queira construí-lo possa fazê-lo. Todas as peças podem ser feitas com uma impressora 3-D. Não é algo circunscrito aos laboratórios," disse o pesquisador.

Microscópio de código livre

Em 2015, a mesma equipe já havia demonstrado que uma lente de 10 centavos permite transformar um celular em microscópio.

Agora eles criaram também uma plataforma, construída com peças facilmente encontradas no comércio, incluindo blocos Lego, para que o microscópio baseado no celular possa ser usado de forma rápida por não especialistas.

Enquanto os microscópios de mesa convencionais iluminam a amostra de cima, o microscópio no celular ilumina a lâmina pelo lado - a lâmina de vidro contendo a amostra tem cerca de um milímetro de espessura. A luz de um LED viaja através do vidro, refratando-se para permitir que o observador visualize toda a estrutura celular, incluindo o núcleo da célula.

Os resultados de testes com amostras de água para patógenos incluindo a Giardia lamblia e o Cyrptosporidium parvum usando o microscópio faça-você-mesmo foram comparados com os resultados obtidos usando um microscópio óptico de laboratório. A resolução foi ligeiramente maior com o microscópio profissional, mas os pesquisadores relataram uma resolução de dois micrômetros com a tecnologia do microscópio baseado no smartphone.

Embora as instruções para a construção do microscópio já possam ser vistas no artigo publicado pela equipe (veja bibliografia abaixo), a equipe pretende construir um site com instruções simplificadas e mais adequadas à comunidade não especializada.

Bibliografia:

Open-source do-it-yourself multi-color fluorescence smartphone microscopy
Yulung Sung, Fernando Campa, Wei-Chuan Shih
Biomedical Optics Express
Vol.: 8, Issue 11, pp. 5075-5086
DOI: 10.1364/BOE.8.005075
https://www.osapublishing.org/boe/fulltext.cfm?uri=boe-8-11-5075&id=375614

Conheça os novos recordes da computação quântica Redação do Site Inovação Tecnológica

Conheça os novos recordes da computação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica -  01/12/2017

Representação artística de uma simulação quântica. Lasers manipulam uma série de 53 qubits atômicos para estudar a dinâmica do magnetismo.[Imagem: E. Edwards/JQI]

Recorde de simulador quântico

Batendo o recente recorde da equipe do MIT e da Universidade de Harvard, que apresentaram um simulador quântico de 51 qubits em agosto passado, uma equipe da Universidade de Maryland, também nos EUA, desenvolveu um simulador quântico com 53 qubits.

Como em todos os recordes o ganho parece pequeno, mas na verdade as possibilidades de cálculo dobram com cada qubit adicional. Além disso, nenhum supercomputador atual consegue lidar com problemas descritos por mais do que 20 objetos quânticos - ou 20 qubits.

Os qubits nesta nova demonstração são íons do elemento itérbio mantidos fixos por eletrodos de ouro.

"Cada íon qubit é um relógio atômico estável que pode ser perfeitamente replicado. Eles são efetivamente conectados em conjunto por feixes de laser externos. Isto significa que o mesmo dispositivo pode ser reprogramado e reconfigurado, de fora, para se adaptar a qualquer tipo de simulação quântica ou futura aplicação de computação quântica que surgir," disse o professor Christopher Monroe, coordenador da equipe.

Na verdade a coisa não é tão genérica assim. Como cada qubit se comporta como um minúsculo ímã, com sua magnetização alterando-se por meio do laser, este simulador quântico é adequado para estudos de problemas relacionados ao magnetismo em escala atômica e molecular. Outros tipos de cálculos continuarão esperando por um computador quântico mais genérico, com interações arbitrariamente programáveis.

Imagem do circuito quântico mostrando 10 qubits supercondutores (formas de estrela) interligados por um barramento central ressonante (cinza). [Imagem: Chao Song et al. - 10.1103/PhysRevLett.119.180511]

Entrelaçamento de 10 qubits

Físicos chineses conseguiram colocar 10 qubits em entrelaçamento (emaranhamento) simultâneo no interior de um circuito supercondutor, um a mais do que o recorde anterior.

O estado de 10 qubits é o maior estado multiqubits já criado em qualquer sistema de estado sólido e representa um passo importante para a computação quântica na plataforma de qubits supercondutores.

Os circuitos supercondutores são mais simples e menores e sua baixa temperatura lida bem com o fantasma da decoerência, a perda do dado pelo qubit em razão das múltiplas interferências a que os sistemas quânticos estão sujeitos.

Os qubits são feitos de pequenos pedaços de alumínio, conectados por um barramento. O chip permite o entrelaçamento entre quaisquer dois qubits, pode produzir múltiplos entrelaçamentos ou entrelaçar simultaneamente todos os 10 qubits.

A rede neural quântica é formada por um loop de 1km de fibra óptica, com a informação codificada em 2.000 parâmetros de oscilação da luz - cada um é uma superposição de "0" e "1". O resultado são os valores dos parâmetros depois de 1.000 voltas pelo loop. [Imagem: QNNCloud]

Computador quântico online gratuito

Uma equipe multi-institucional do Japão disponibilizou para uso online a qualquer interessado sua Rede Neural Quântica (QNN: Quantum Neural Network).

Trata-se de um sistema óptico capaz de resolver problemas de otimização combinatorial, como o conhecido problema do caixeiro-viajante, em que deve-se determinar a melhor sequência de cidades que um vendedor deve visitar - os algoritmos clássicos, ou não-quânticos, só conseguem resolver esse problema na força bruta.

Diferentemente de um computador quântico universal, que poderia resolver qualquer tipo de problema, a rede neural quântica é projetada para otimizar sistemas que possam ser descritos por modelos Ising - sistemas formados por unidades que podem assumir um de dois valores (0 ou 1) e somente interagem com seus vizinhos.

Esse é um limitador maior do que o computador quântico que a IBM disponibiliza pela internet, por exemplo, mas os modelos Ising podem ser usados para descrever uma ampla variedade de fenômenos.

O cadastramento para acesso pode ser feito no site da QNNCloud.

Bibliografia:

10-Qubit Entanglement and Parallel Logic Operations with a Superconducting Circuit
Chao Song, Kai Xu, Wuxin Liu, Chui-ping Yang, Shi-Biao Zheng, Hui Deng, Qiwei Xie, Keqiang Huang, Qiujiang Guo, Libo Zhang, Pengfei Zhang, Da Xu, Dongning Zheng, Xiaobo Zhu, H. Wang, Y.-A. Chen, C.-Y. Lu, Siyuan Han, Jian-Wei Pan
Physical Review Letters
Vol.: 119, 180511
DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.180511

Observation of a many-body dynamical phase transition with a 53-qubit quantum simulator. Nature, 2017;
J. Zhang, G. Pagano, P. W. Hess, A. Kyprianidis, P. Becker, H. Kaplan, A. V. Gorshkov, Z.-X. Gong, C. Monroe
Nature
Vol.: 551 (7682): 601
DOI: 10.1038/nature24654

Nanomáquina armazena energia da luz Redação do Site Inovação Tecnológica

Nanomáquina armazena energia da luz

Redação do Site Inovação Tecnológica -  04/12/2017

A estrutura dos microtúbulos absorve energia dos fótons até um valor limite. [Imagem: Jean W. Fredy et al. - 10.1073/pnas.1711184114]

Máquinas moleculares

A concessão do Prêmio Nobel de Química do ano passado deu um verdadeiro impulso ao campo das máquinas moleculares.

As máquinas moleculares são encontradas em todos os lugares na natureza. Elas são responsáveis pela contração muscular, pela locomoção das bactérias e dos espermatozoides, pela divisão celular, pela replicação de DNA e por aí vai.

Transformá-las em nanotecnologia, ou seja, criar nanomáquinas sintéticas, tem sido mais desafiador, mas o progresso está vindo rapidamente.

Mensurar a força

Pesquisadores da Universidade de Twente, na Holanda, apresentaram agora máquinas moleculares capazes de armazenar energia da luz e convertê-la em um trabalho mecânico sob demanda.

O projeto se baseia em túbulos supramoleculares, moléculas complexas que se estruturam por um processo de automontagem. Elas ainda são um tanto "explosivas", mas já se mostraram capazes de exercer uma força mensurável em nanoescala e em ambiente fluido.

O fato de ser uma força mensurável é importante quando se leva em conta que a maioria das máquinas moleculares sintéticas só funciona suspensas em um líquido, onde geralmente é impossível medir a força que podem exercer enquanto operam no tempestuoso ambiente do movimento browniano, o movimento aleatório de partículas suspensas em um fluido.

O fato de liberar uma energia facilmente mensurável é essencial para a utilização prática das máquinas moleculares. [Imagem: Jean W. Fredy et al. - 10.1073/pnas.1711184114]

Microtúbulos

Sabendo que tornar suas forças mensuráveis é um pré-requisito essencial para que as máquinas moleculares ganhem uso prático, Tibor Kudernac desenvolveu blocos químicos básicos que se agrupam naturalmente por automontagem para formar túbulos, pequenos canos com até um micrômetro de comprimento e poucos nanômetros de diâmetro.

Quando os túbulos são iluminados, eles absorvem os fótons, fazendo com que uma tensão mecânica vá se acumulando em sua estrutura até atingir um valor limite. Quando a estrutura não suporta mais energia, ela desmorona abruptamente, liberando a energia.

Desta forma, os microtúbulos sintéticos convertem a energia da luz em uma energia de deformação, como se fosse uma minúscula explosão. É esta explosão que pode então ser usada para alimentar a resposta mecânica específica que se desejar.

Tendo determinado com precisão o valor limite que os microtúbulos suportam, a iluminação pode ser dosada de forma a armazenar energia, que poderá ser liberada de forma controlada quando ela for necessária.

"Este trabalho abre o caminho para máquinas supramoleculares totalmente artificiais que convertem o movimento molecular em modos de operação sofisticados, em escalas de comprimento que estão tipicamente no domínio da matéria viva," concluíram os pesquisadores.

Bibliografia:

Molecular photoswitches mediating the strain-driven disassembly of supramolecular tubules
Jean W. Fredy, Alejandro Méndez-Ardoy, Supaporn Kwangmettatam, Davide Bochicchio, Benjamin Matt, Marc C. A. Stuart, Jurriaan Huskens, Nathalie Katsonis, Giovanni M. Pavan, Tibor Kudernac
Proceedings of the National Academy of Sciences
Vol.: 114 no. 45, 11850-11855
DOI: 10.1073/pnas.1711184114

Célula solar iônica fará dessalinização e células ciborgues Redação do Site Inovação Tecnológica

Célula solar iônica fará dessalinização e células ciborgues

Redação do Site Inovação Tecnológica -  04/12/2017

Representação artística da membrana bipolar usada para a geração de eletricidade iônica. [Imagem: William White]

Células solares iônicas

As células solares usam a energia da luz para gerar elétrons (cargas negativas) e lacunas (cargas positivas), que são conduzidas para fora dos materiais semicondutores por eletrodos, saindo na forma de eletricidade.

Agora a luz do Sol foi usada para alimentar um processo de geração de energia elétrica totalmente diferente - o transporte de prótons e hidróxidos, com cargas opostas, obtidos pela dissociação de moléculas de água.

Ou seja, William White e seus colegas da Universidade da Califórnia em Irvine criaram uma célula solar iônica, uma célula solar que fornece uma corrente de íons.

É um componente que é um análogo iônico da célula solar eletrônica formada por uma junção p-n semicondutora. Ela usar a luz solar para tirar proveito de um comportamento da água semelhante ao comportamento dos semicondutores e gerar eletricidade iônica.

A equipe espera usar esse mecanismo para fabricar um componente capaz de dessalinizar diretamente a água salgada pela sua simples exposição à luz solar.

"Houve outros experimentos, que datam da década de 1980, que fotoexcitaram materiais para que eles transmitissem uma corrente iônica, e estudos teóricos afirmam que essas correntes poderiam alcançar os mesmos níveis que seus análogos eletrônicos, mas nenhum desses experimentos funcionou tão bem [quanto o nosso]," disse White.

Corrente iônica

A equipe obteve sucesso permitindo que a água permeasse através de duas membranas de permuta iônica, uma que transporta principalmente íons positivamente carregados (cátions), como prótons, e outra que transporta principalmente íons carregados negativamente (ânions), como hidróxidos, funcionando como um par de portas químicas para separar as cargas.

Testes nos quais o sistema foi iluminado por um laser produziram uma corrente iônica mensurável e tensões de mais de 100 milivolts (mV) em alguns casos (60 mV em média).

A demonstração é inédita e promissora, mas o nível de corrente iônica precisará atingir pelo menos 200 mV para conseguir dessalinizar a água do mar, um alvo que os pesquisadores estão otimistas em alcançar rapidamente.

"Tudo se resume à física fundamental de quanto tempo as portadoras de carga persistem antes de se recombinar para formar água. Podemos projetar mais inteligentemente uma dessas interfaces da membrana bipolar para que possamos maximizar a tensão e a corrente," disse o professor Shane Ardo, coordenador da equipe.

Ciborgues

No longo prazo, a dessalinização é apenas uma possível aplicação da célula solar iônica - ou bomba de prótons sintética alimentada por energia solar, como os pesquisadores a chamam.

Ela também poderá funcionar como interface com dispositivos eletrônicos ou mesmo para alimentar a sinalização em interfaces cérebro-máquina e "células ciborgues", que combinem tecidos vivos e circuitos artificiais, um papel que não pode ser preenchido pelas células solares tradicionais, que são instáveis em sistemas biológicos.

• Criada primeira bateria iônica: Interface entre humanos e máquinas

Bibliografia:

Conversion of Visible Light into Ionic Power Using Photoacid-Dye-Sensitized Bipolar Ion-Exchange Membranes
William White, Christopher D. Sanborn, David M. Fabian, Shane Ardo
Joule
DOI: 10.1016/j.joule.2017.10.015

Esqueça os androides: A robótica vai se incorporar na matéria Redação do Site Inovação Tecnológica

Esqueça os androides: A robótica vai se incorporar na matéria

Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/12/2017

Os materiais reconfiguráveis estão entre os principais mecanismos dessa "matéria habilitada pela robótica".[Imagem: Johannes Overvelde/Harvard SEAS]

Robótica integrada aos materiais

A robótica é sistematicamente apontada como uma das áreas tecnológicas mais promissoras há algumas décadas, mas não temos visto muitos robôs por aí.

E talvez nem mesmo devamos vê-los no futuro porque estamos com uma noção incorreta de como os robôs devem ser, argumenta um grupo de roboticistas das universidades do Oregon, Colorado e Yale, nos EUA, e da Escola Politécnica Federal de Lausanne, na Suíça.

Em vez das figuras muito icônicas dos robôs humanoides e androides, a equipe afirma que a robótica não irá resultar em cérebros positrônicos dotados de corpos artificiais - os robôs serão cérebros introduzidas nos próprios objetos com os quais lidamos, algo como uma "matéria inteligente".

Isso contesta a suposição básica de que os robôs são, ou "máquinas que executam bits de código", ou "bots de software" interagindo com o mundo através de instrumentos físicos.

"Nós tomamos um terceiro caminho: um caminho que incorpora a inteligência na própria matéria de um robô. O futuro que estamos sonhando é aquele dos materiais ativados pela robótica, algo como os próprios robôs sendo integrados aos objetos do dia-a-dia," disse o pesquisador Yigit Mengüç.

Objetos robotizados

Para citar um exemplo do que vislumbra como o futuro da robótica, o pesquisador começa do básico: um sapato.

Alguns materiais inteligentes não se dão com as leis da física, mas há também coisas mais mundanas, como pneus que consertam sozinhos os furos. [Imagem: Metamaterials Unit/Chemistry/University of Malta]

"Sapatos que sejam capazes de apoiar de forma inteligente a sua marcha, alterar a rigidez conforme você está correndo ou andando, ou com base na superfície em que você está ou na biomecânica do seu pé. Esse é um produto potencial. Exemplos desse tipo de inteligência material abundam na natureza, onde a funcionalidade complexa resulta de sistemas de materiais simples.

"O ponto aqui com algo como um sapato autoajustável é que ele não se parece com um robô - esse é o tipo de direção da onipresença robótica que estamos imaginando," destacou Mengüç.

Se essa for realmente a tendência, à medida que a tecnologia se tornar mais capaz, ela tenderá a seguir um padrão de desaparecimento no contexto da vida cotidiana.

"Veja os smartphones. A correção automática, uma versão muito pequena e empobrecida da inteligência artificial, é onipresente. No futuro, seu smartphone poderá ser feito de um material esticável e dobrável, por isso não haverá perigo de ele se quebrar. Ou poderá ter alguma atuação, onde ele muda de forma na sua mão para ajudar na exibição da imagem, ou ele pode ser capaz de comunicar algo sobre o que você está observando na tela.

"O que eu veria como o sucesso da robótica material é quando a tecnologia que fabricamos não for mais estática - todos esses bits e peças de tecnologia que achamos normais na vida serão coisas vivas, fisicamente responsivas, movendo-se, mudando de forma em resposta às nossas necessidades, e não apenas telas planas e estáticas," vislumbra o pesquisador.

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Outra vertente dessa área é a chamada vida sintética, materiais artificiais que se comportam como tecidos vivos. [Imagem: Anna Balazs Lab]

Matéria robótica

Mas em que ponto estamos rumo a essa robótica material, ou matéria robótica?

Atualmente, existem duas abordagens distintas para a criação de materiais compósitos que tentam emular a complexidade da funcionalidade dos tecidos biológicos: a síntese de novos materiais dotados de novas propriedades e a integração de peças feitas com os materiais tradicionais para formar sistemas inteligentes.

Os cientistas de materiais estão desenvolvendo novos materiais com a multifuncionalidade inerente necessária para aplicações robotizadas, enquanto os roboticistas estão trabalhando em novos sistemas integrando componentes e peças.

"A convergência dessas abordagens acabará por produzir a próxima geração de materiais capacitados pela robótica," disse Mengüç. "É uma parceria natural que levará a robôs com cérebros em seus corpos - robôs baratos e sempre presentes integrados ao mundo real".

• Tecnologias emergentes: veja o que o futuro lhe reserva

Bibliografia:

Will robots be bodies with brains or brains with bodies?
Yigit Mengüç, Nikolaus Correll, Rebecca Kramer, Jamie Paik
Science Robotics
Vol.: 2, Issue 12, eaar4527
DOI: 10.1126/scirobotics.aar4527