Entrelaçamento quântico: amor numa escala subatómica
A tecnologia usada para estudar o 'amor' entre partículas entrelaçadas está também a ser usado na pesquisa para melhorar as comunicações para o espaço-profundo.
Quando se fala de amor e romance, as pessoas trazem muitas vezes ao de cima ligações místicas e nunca vistas.
Tais ligações existem no mundo subatómico igualmente, graças a um fenómeno bizarro e contra intuitivo denominado de entrelaçamento quântico.
A ideia básica do entrelaçamento quântico é a de que duas partículas podem estar intimamente ligadas uma à outra ainda que separadas por milhares de milhões de anos-luz de espaço: uma mudança induzida a uma, irá afectar a outra.
Em 1964, o físico John Bell postulou que tais mudanças podem ocorrer instantaneamente, ainda que as partículas estejam muito afastadas. O teorema de Bell é visto como uma ideia importante para a física moderna, mas parece fazer pouco sentido. Afinal, Albert Einstein provou anos antes que a informação não pode viajar mais rápido que a velocidade da luz.
De facto, Einstein descreveu com excelência o fenómeno de entrelaçamento como uma 'acção assustadora à distância.'
Este desenho ajuda a explicar a ideia de partículas entrelaçadas. Alice e Bob representam detectores de fotões.
No último meio século, muitos pesquisadores fizeram experiências em que testaram o teorema de Bell, mas acabaram por se tornar incompletos devido ao design difícil e construção de equipamento com a sensibilidade necessária e desempenho correcto, referem oficiais da NASA.
No entanto, ao longo do último ano, três diferentes grupos de pesquisa foram capazes de desempenhar testes substantivos do Teorema de Bell, e todos eles encontraram suporte para as ideias básicas.
Um desses estudos foi liderado por Krister Shalm, uma física no National Institute of Standards and Technologies (NIST) no Colorado, EUA.
Shalm e os seus colegas usaram faixas de metal especiais arrefecidas a temperaturas criogénicas, que as tornam supercondutoras - sem resistência eléctrica. Um fotão atinge o metal e transforma-se de volta num condutor eléctrico normal por uma fracção de segundo, e os cientistas conseguem vê-lo acontecer.
Esta técnica permitiu os pesquisadores ver como, se de aconteceu, as suas medidas de um fotão afectaram outro fotão num par entrelaçado.
Os resultados, que foram publicados no jornal Physical Review Letters, apoiam fortemente o Teorema de Bell.
'O nosso artigo e outros dois publicados no último ano mostram que Bell estava certo: qualquer modelo do mundo que contém variáveis escondidas deve também permitir que partículas entrelaçadas se influenciem uma à outra à distância,' disse o co-autor Francesco Marsili, da Jet Propulsion Lab (JPL) na Califórnia.
Há aplicações práticas para este trabalho igualmente. O 'detector de fotões singular de nanofio supercondutor' (SNSPD) usado na experiência de Shalm, que foi construído em NIST e no JPL, podem ser usados em criptografia e em comunicações de espaço profundo, afirmaram oficiais da NASA.
A missão de Exploração de Ambiente e Poeira da Atmosfera Lunar (LADEE), que orbitou a Lua de Outubro de 2013 a Abril de 2014, ajudou a demonstrar algum do seu potencial comunicacional.
A Demonstração de Comunicação de Laser Lunar da LADEE usou componentes da nave espacial e um receptor baseado no solo semelhante ao SNSPD. A experiencia demonstrou que pode ser possível construir matrizes de comunicações laser sensíveis que iriam permitir muito mais carregamento e descarregamento de dados de sondas espaciais longínquas, disseram oficiais da NASA.
Supercondutividade: bolas sem resistência
Flashes intensos de laser retiram a resistência eléctrica de uma camada de cristal de fulerido alcalina K3C60, uma molécula em forma de bola contendo 60 átomos de carbono. Tudo foi observado a uma temperatura de menos 170 graus Célsius. Aqui.
Os supercondutores estão desde há muito tempo confinados a um nicho de aplicações, devido ao facto de as mais elevadas temperaturas a que estes materiais se tornam livres de resistência ser de menos 170 graus Celcius. Actualmente eles são principalmente usados em imanes para tomografia de ressonância magnética nuclear, equipamentos de fusão e aceleradores de partículas.
Físicos do Instituto Max Panck para Estrutura e Dinâmica da Matéria no Centro de Ciência Laser de Electrões Livres (CFEL) em Hamburgo mostram pulsares livres num material feito de átomos de potássio e átomos de carbono organizados em estruturas esféricas. Numa pequena fracção de segundo, eles arranjaram maneira de a tornar supercondutora a menos 170 graus Celcius - 100 graus Kelvin. Um efeito semelhante já tinha sido descoberto em 2013 por cientistas do mesmo grupo num material diferente, um óxido de cerâmica pertencente à família dos chamados 'cupratos'.
Como os fulerenos têm uma relativamente simples estrutura química, os pesquisadores esperam ser capazes de ganhar um melhor entendimento do fenómeno da indução de luz na supercondutividade a altas temperaturas que conduzem nas suas novas experiências. Tais conhecimentos podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduziria electricidade a temperaturas ambientes, sem perdas, e sem excitação óptica.
Todas as esperanças para a supercondutividade a alta temperatura têm andado em materiais cerâmicos conhecidos como cupratos. Estes materiais perdem a sua resistência eléctrica a temperaturas relativamente elevadas, que podem ser tão altas quanto 120 graus Celcius negativos. Por esta razão, os físicos referem-se a estes materiais como supercondutores de altas temperaturas.
Andrea Cavalleri, Director no Instituto Max Planck para Estruturas e Dinâmicas da Matéria, e os seus colegas estão a pavimentar caminho no desenvolvimento de materiais que perdem a sua resistência eléctrica a temperatura ambiente. As suas observações em fulerenos, que quando excitados com pulsares laser, se podem tornar supercondutivos a menos 170 graus Celcius, leva-os um passo mais além para atingir este objectivo. Esta descoberta pode contribuir para estabelecer um entendimento mais compreensivo de supercondutividade induzida por luz, porque é mais fácil formular uma explicação teorética para fulerenos do que para cupratos.
Uma explicação completa para este efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a ganhar um melhor entendimento do fenómeno em supercondutividade a alta temperatura e providenciar uma receita para um supercondutor artificial que conduzirá electricidade sem perdas de resistência e a temperaturas ambientes.
Mudanças estruturais abrem caminho para os electrões
Em 2013, investigadores do grupo de Cavalleri demonstraram que sobre certas condições pode ser possível a um material de conduzir electricidade a temperatura ambiente sem perda de electricidade. Um óxido de cerâmica pertencente a família dos cupratos tornou-se supercondutor sem qualquer arrefecimento durante uns trilionésimos de segundo, quando os cientistas o excitaram usando pulsares laser infravermelhos. Um ano mais tarde, os cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.
Eles observaram que, seguida à excitação com o flash de luz, os átomos na estrutura de cristal mudaram de posição. Esta mudança persiste como o estado de supercondutividade do material. Falando de um modo abrangente, a mudança pela indução de luz na estrutura limpa o caminho para os electrões, de modo a movimentar-se na cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da altamente especifica estrutura cristalina dos cupratos. À medida que o processo foi entendido na altura, pode ter envolvido um fenómeno que só surge neste tipo de materiais.
A equipa liderada por Cavalleri perguntou então a eles próprios se a luz poderia quebrar a resistência de supercondutores mais tradicionais, a física dos quais é melhor entendida. Os pesquisadores do Instituto Max Planck para Estruturas e Dinâmicas da Matéria, entre os quais Daniele Nicoletti e Mateo Mitrano, que conseguiram agora o jackpot, usando uma substância que é muito diferente dos cupratos: o fulerido K3C60, um metal composto dos chamados fulerenos Buckminster.
Estas moléculas ocas consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera que compreende pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de iões de potássio intercalados e carregados positivamente, que funcionam como uma espécie de cimento, os negativamente carregados fulerenos, agarram.se uns aos outros de modo a formar um sólido. Estes assim chamados, fuleridos alcalinos, é um metal que se torna supercondutor à volta de menos 250 graus Celcius.
Uma das mais altas temperatura críticas para além dos cupratos
Os pesquisadores irradiaram então os fuleridos alcalinos com pulsares de luz infravermelhos por somente uns bilionésimos de microsegundos e repetiram a sua experiência numa amplitude térmica entre temperaturas críticas e temperaturas ambientes. Eles apontam as frequências de fontes de luz que excitam os fulerenos para produzir vibrações.
Isto faz os átomos de carbono oscilar de tal modo que os pentágonos na bola expandem e contraem. Foi esperado que esta mudança na estrutura podem gerar supercondutividade passageira a altas temperaturas num modo semelhante à dos cupratos.
Para testar isto, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulsar de luz ao mesmo tempo que o pulsar de infravermelhos, se bem que a uma frequência na amplitude dos terahertzs. A força a que este pulsar é reflectido indica a condutividade do material para os pesquisadores, significando a facilidade com que os electrões se movem através do fulerido alcalino.
O resultado foi de extremamente elevada condutividade. 'Estamos muito confiantes que induzimos supercondutividade a temperaturas de tão altas quanto menos 170 graus Celcius,' diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das mais elevadas temperaturas criticas observadas em materiais não pertencentes à classe dos cupratos.
'Estamos agora a planear levar a cabo outras experiências que devem habilitar-nos a alcançar um entendimento mais detalhado dos processos em trabalho aqui,' diz Nicoletti. O que gostariam de fazer agora é analisar a estrutura de cristais durante a excitação com a luz infravermelha. Tal como foi o caso dos cupratos, isto deverá ajudar a explicar o fenómeno.
'Os pesquisadores gostariam então de irradiar o material com pulsares de luz que durem muito mais.Apesar de ser tecnicamente muito complicado, pode aumentar a vida da supercondutividade, tornado-a potencialmente relevante para aplicações.'conclui Nicoletti.
Cientistas criam supercondutor activado por laser
Comboios Maglev
Lasers brilhantes em supercondutores podem fazê-los trabalhar a temperaturas mais elevadas, sugerem novas descobertas duma equipa internacional de cientistas, incluindo da Universidade de Bath. Supercondutores são materiais que conduzem electricidade sem perda de energia e que produzem fortes campos magnéticos. São usados em scanners médicos, circuitos electrónicos super rápidos e comboios Maglev que usam imanes supercondutores que fazem o comboio pairar sobre o carril, eliminando a fricção.
Correntemente, os supercondutores só trabalham a temperaturas muito baixas, necessitando nitrogénio líquido ou hélio para manter a sua temperatura. Agora cientistas publicam no prestigioso jornal Nature que encontraram uma maneira de fazer certos materiais supercondutores a temperaturas mais altas.
A equipa, liderada pelo Instituto Max Planck para as Estruturas e Dinâmicas da Matéria, incluindo a Universidade de Bath e Oxford, mostram um laser num material feito de átomos de potássio e átomos de carbono, arranjados em pequenas estruturas esféricas e que ainda são supercondutoras a 100 graus Kelvin ou 170 graus Célsius.
Os investigadores esperam que estas descobertas possam levar a novos caminhos e conhecimento de modo a fazer novos supercondutores que trabalhem a temperaturas mais elevadas. O Dr. Stephen Clark, físico teorético na Universidade de Bath, trabalhou com os seus colegas físicos experimentalistas de modo a tentar entender como a supercondutividade pode emergir quando os materiais estão expostos a radiação laser.
Ele explicou: 'Correntemente os supercondutores apenas funcionam a temperaturas muito baixas, necessitando de criogénicos dispendiosos - se pudermos desenhar materiais que superconduzem a temperaturas mais elevadas, ou até temperaturas ambientes, iria eliminar a necessidade de arrefecimento, o que as iria tornar menos dispendiosas e mais práticas de usar numa variedade de aplicações.
'Os nossos pesquisadores mostram-nos que podemos usar um laser de modo a tornar um material supercondutor a temperaturas mais altas do que naturalmente seriam. Mas tendo realizado este primeiro passo, os meus colegas e eu iremos tentar encontrar outros supercondutores que podem ser coagidos a trabalhar a temperaturas mais elevadas ou até temperaturas ambientes.'
'Enquanto esta é uma pequena peça de um grande puzzle, as nossas descobertas irão providenciar um novo caminho para a engenharia e supercondutividade controlado que irão ajudar a estimular futuras descobertas.'
Criação do interior de Júpiter, um passo rumo à supercondutividade a temperaturas ambientes
O hidrogénio é o elemento mais abundante no universo, e o maior composto das estrelas, tal como o Sol e tal como os planetas gigantes gasosos Júpiter e Saturno. Em anos recentes, o comportamento de hidrogénio a altas temperaturas em pressões elevadas tem estado presente num reino de interesse, não só pela ciência planetária, mas também para campos, como o da ciência dos materiais, com o propósito de atingir uma sociedade baseada na energia do hidrogénio.
No entanto, uma vez que o hidrogénio é um elemento altamente difuso e altamente reactivo, é difícil manter com estabilidade a alta-temperatura.
Um grupo de pesquisa da Universidade de Osaka, Japão, e do Instituto de Tecnologia de Tóquio, criaram com sucesso tecnologia que estabiliza o hidrogénio a alta temperatura, em ambiente de alta pressão, sem reacções químicas com matéria a rodear.
Katsuya Shimizu, Professor da Universidade de Osaka University e Kenji Ohta, do Instituto de Tecnologia de Tóquio em colaboração com o Instituto de Pesquisa Radiação e Sincotrão do Japão investigaram a transformação de fase do hidrogénio de fluido quente e denso usando um aparelho de aquecimento laser de alta pressão estático numa célula bigorna-de-diamante.
Os resultados mostraram anomalias na eficiência de aquecimento que são provavelmente atribuídas à transição de fase de um fluido de hidrogénio diatómico para monoatómico (transição de fase de plasma) numa amplitude de pressão entre 82 e 106 GPa. Este estudo impõe condições mais apertadas na fronteira da transição de fase e localização do plasma de hidrogénio, e sugere pontos críticos mais altos que o previsto em cálculos teóricos.
A transição de fase de plasma, observada a alta-temperatura, num fluido de hidrogénio de alta densidade, pode estar fortemente relacionada com a transição do metal isolado, e estes resultados podem levar à clarificação da estrutura interna e campo magnético dos planetas de gás feitos primariamente de hidrogénio, como Júpiter e Saturno.
Adicionalmente, é esperado que a clarificação da correlação entre temperatura e pressão no hidrogénio possa levar à síntese de um hidrogénio metálico sólido no qual a transição supercondutiva se espera tenha lugar a uma temperatura relativamente alta, ou perto à temperatura ambiente.
Uma nova dimensão para supercondutividade de alta temperatura
Uma equipa de cientistas no Departamento de Energia SLAC, Laboratório de Aceleração Nacional, combinou poderosos pulsares magnéticos com alguns dos mais poderosos raios-x do planeta para descobrir um surpreendente arranjo 3-D de um material de electrões que aparecem proximamente ligados a um misterioso fenómeno conhecido como, supercondutividade a alta temperatura.
Esta inesperada reviravolta marca um importante marco numa jornada de 30 anos para melhor compreender como é que os materiais conhecidos como supercondutores de altas temperaturas, conduzem electricidade sem resistência a temperaturas centenas de graus acima da dos metais convencionais supercondutores mas ainda assim, muito abaixo da congelação. O estudo foi publicado na revista Science.
O estudo também resolve uma aparente discrepância de dados de experiências e quadros anteriores, um novo rumo para entender completamente, comportamentos de electrões nestes materiais exóticos sob diferentes condições. Os investigadores têm um objectivo último, que é o de ajudar o design e o desenvolvimento de novos supercondutores, que trabalham a temperaturas mais elevadas.
Física 'Totalmente Inesperada'
'Isto foi completamente inesperado, mas muito excitante ao mesmo tempo. Esta experiência identificou um novo ingrediente para considerar neste campo de estudo. Nunca ninguém viu esta imagem 3D,' disse Jun-Sik Lee, um cientista da SLAC e um dos líderes da experiência conduzida com o raios-x de laser Linac Coherent Light Source (LCLS). 'Este é um passo importante para entender a física dos supercondutores de alta temperatura.'
'O sonho é o de levar a temperatura da experiência, para supercondutores à temperatura ambiente,' acrescentou ele, 'o que poderá levar a avanços na computação, electrónica e tecnologia da rede de distribuição energética.'
Já há muitos usos para tecnologia standart de supercondutores, que vão de máquinas de ressonância magnética, que diagnostiam, por exemplo, tumores cerebrais, a prótotipos de comboios de levitação magnética, e ao CERN, colisionador de particulas, que permitiu descobertas como o Bosão de Higgs e sensores ultrasensitivos usados para procurar matéria negra, o constituinte invísivel de que se acredita fazer parte a maioria da massa do universo. Um planeado melhoramento do LCLS, conhecido por LCLS-II, irá incluir um acelerador de particulas supercondutor.
A Nova Onda na Supercondutividade
O efeito 3D que os cientistas observaram na experiência do LCLS, que ocorre num material supercondutor conhecido como YBCO (sigla inglesa de ítrio óxido de bário cobre), é uma descoberta de uma nova 'onda com carga de densidade.' Esta onda não tem a oscilação de uma onda de luz ou onda sonora; descreve um estático, ordenado arranjo de aglomerados de electrons num material supercondutor. A sua coexistência com a supercondutividade é desconcertante para os pesquisadores, porque parece entrar em conflito com os pares de electrões que se movem livremente e que definem a supercondutividade.
A versão 2D desta onda foi registada pela primeira em 2012 e tem sido estudada extensivamente. A experiência LCLS revelou uma versão 3D separada em que aparecem mais fortes que a forma 2D e são proximamente chegadas ao comportamento 2D e à supercondutividade do material.
A experiência esteve vários anos para ser realizada e requereu experiência internacional para preparar as amostras especializadas e construir um poderoso iman personalizado que produziu pulsares magnéticos comprimidos a milésimos de segundo. Cada impulso era 10-20 vezes mais forte que aquelas dos imans de um máquina tipica de Ressonância.
Uma Poderosa Mistura de Magnetismo e Luz
Aqueles curtos mas intensos impulsos magnéticos suprimiram a supercondutividade das amostras YBCO e deram uma visão mais clara dos efeitos da onda da densidade de carga. Foram imediatamente seguidos em intervalos precisos por impulsos laser raio-x LCLS ultrabrilhante,que permitiram aos cientistas medir os efeitos das ondas.
'Esta experiência é um modo completamente nova de usar o LCLS e que abre a porta para uma classe totalmente nova de novas experiências,' disse Mike Dunne, director LCLS.
Investigadores conduziram muitas experiencias preparatórias na SLAC Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL), que também produz raios-x para investigação.
'Ándo entusiasmado com esta experiência há já muito tempo,' disse Steven Kivelson, professor de física na Universidade de Stanford, que contribuiu para o estudo e tem procurado supercondutores de alta temperatura desde 1987.
Kivelson diz que a experiência coloca barreiras claras à temperatura e força do campo magnético, onde o efeito 3D agora observado, emerge. 'Não há nada vago acerca disto,' referiu. 'Podes fazer agora uma declaração final: neste material existe uma nova fase.'
A experiência também acrecenta peso à crescente evidência que as ondas de densidade da carge e supercondutividade 'podem ser pensadas como dois lados da mesma moeda,' acrescentou.
Procurando Ligações Comuns
'Mas é claro que YBCO é incrivelmente complexo, e um mapa mais completo de todas as suas propriedades são necessárias para atingir quaiquer conclusões sobre o que interessa mais à sua supercondutividade,' diz Simon Gerber e Hoyoung Jang da SSRL, os principais autores do estudo.
As próximas experiências são necessárias para dar uma visualização detalhada do efeito 3D, e aprender sobre se o efeito é universal em todos os tipos de supercondutores de alta temperatura, disseram cientistas da SLAC e o investigador da SIMES WeiSheng Lee, que co-geriu o estudo com Jun-Sik Lee da SSRL e Diling Zhu da LCLS. 'As propriedades deste material são muito mais ricas do que pensámos,' diz Lee.
'Continuamos a fazer novas e surpreendentes observações à medida que desenvolvemos novas ferramentas experimentais,' acrescentou Zhu.