quarta-feira, 20 de abril de 2011

Arte spintrônica

Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/03/2011

Caneta quântica escreve com átomos em cristal de luz


Com a ajuda de um feixe de laser, átomos individuais presos em um cristal óptico podem ser manipulados de forma precisa.[Imagem: I. Bloch/MPQ]
Físicos criaram o que eles estão chamando de "caneta quântica", um instrumento capaz de não apenas de escrever com átomos, mas também de "escrever nos átomos", usando-os para guardar dados.
O instrumento, criado por cientistas do Instituto Max Planck na Alemanha, permite a manipulação de átomos individuais presos em uma rede de luz, organizando-os no padrão desejado.
Este um feito importante na área da computação quântica e dos simuladores quânticos, que poderão ser usados para estudar o comportamento de sistemas complexos demais para os simuladores computacionais tradicionais.
Cristal de luz
O tabuleiro onde os átomos são movidos é um cristal de luz, um arranjo óptico artificial onde uma série de lasers cria uma rede óptica que é um análogo da rede atômica de um cristal real.
O cristal de luz pode ser melhor entendido quando comparado com uma cartela de ovos - os lasers superpostos criam as separações, ou as paredes da cartela. Cada "buraco" dessa cartela óptica é capaz de acomodar um único átomo, que fica preso pelos feixes de luz ao seu redor.
Usando um microscópio eletrônico para guiá-los, os cientistas dispararam um laser altamente focalizado, de forma que ele atingisse os átomos individualmente, com altíssima precisão.
O laser deforma ligeiramente a camada de elétrons do átomo, alterando seu spin. Átomos com spin - com um momento angular intrínseco - comportam-se como se fossem pequenas agulhas magnéticas, que podem se alinhar em dois sentidos opostos.
Se os átomos forem irradiados com micro-ondas que estejam em ressonância com o spin alterado, somente os átomos que foram atingidos pelo laser absorvem o fóton de micro-ondas, o que faz seu spin se inverter. Todos os outros átomos do cristal de luz permanecem inalterados.
Ou seja, o experimento é capaz de usar o spin dos elétrons para armazenar dados digitais, que eventualmente poderão ser processados em um computador quântico.

Os padrões escritos com a caneta atômica têm entre 10 e 30 átomos, presos no interior de um cristal de luz. [Imagem: I. Bloch/C. Weitenberg/P. Schaub/MPQ]
Caneta de átomos
A seguir, os cientistas alteraram o spin de todos os átomos em uma linha, mostrando a precisão alcançada com seu dispositivo - o índice de eficiência nessa alteração foi de 95%.
A operação foi repetida em diversos graus de complexidade. Depois que os átomos com o spin invertido são retirados da armadilha óptica, é possível ver claramente o padrão "escrito" nos átomos - o que levou os cientistas a chamarem o mecanismo de caneta quântica.
A rede óptica que cria o cristal artificial forma uma estrutura conhecida como isolante de Mott. "Um isolador Mott com exatamente um átomo em cada ponto da rede funciona como um registrador quântico natural com algumas centenas de bits, o ponto de partida ideal para o processamento de informações quânticas," afirma Stefan Kuhr, coautor do trabalho.
O próximo passo é realizar operações lógicas entre quaisquer dois átomos selecionados na rede. Esta seria uma demonstração do funcionamento da estrutura como um processador quântico.
Bibliografia:

Single-Spin Addressing in an Atomic Mott Insulator
Christof Weitenberg, Manuel Endres, Jacob F. Sherson, Marc Cheneau, Peter Schaub, Takeshi Fukuhara, Immanuel Bloch, Stefan Kuhr
Nature
16 March 2011
Vol.: 471, 319 (2011)
DOI: 10.1038/nature09827
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=caneta-quantica-atomos-cristal-luz&id=010110110318

terça-feira, 19 de abril de 2011

Spin de um átomo é fotografado pela primeira vez

Redação do Site Inovação Tecnológica - 27/04/2010
Spin de um átomo é fotografado pela primeira vez
As diferenças no formato e na aparência de cada um dos átomos de cobalto são causadas pelas diferenças na direção dos seus spins.[Imagem: Saw-Wai Hla]
Spin
Um grupo internacional de cientistas conseguiu pela primeira vez fazer imagens diretas do spin de um átomo.
O spin é uma propriedade quântica fundamental das partículas elementares. Embora o termo seja usado em várias acepções, para efeitos experimentais o spin é entendido como se fosse um minúsculo ímã, apresentando uma orientação, que pode ser "para cima" ou "para baixo".
Os termos "para cima" ou "para baixo" são convenções usadas para representar a orientação do spin, mas o que importa é que ele pode ser usado para armazenar um bit de informação, assumindo um valor que pode ser 0 ou 1.
Spintrônica
Fazer um spin passar de 0 para 1 e vice-versa requer pouquíssima energia, muito menos do que o fluxo de elétrons usado nos computadores atuais.
Isso tem levado os cientistas a apostarem no advento da spintrônica, complementando ou mesmo substituindo a eletrônica atual, viabilizando a construção de computadores menores, mais rápidos e com consumo de energia muito menor.
Apesar dos progressos recentes na área, contudo, até hoje ninguém havia realmente visto um spin.
Fotos do spin
Para conseguir o feito, os cientistas das universidades de Ohio, nos Estados Unidos, e Hamburgo, na Alemanha, tiveram que construir um microscópio eletrônico sob medida para a tarefa.
O microscópio de varredura por tunelamento (STM: Scanning Tunneling Microscopy) recebeu uma ponta recoberta com ferro para conseguir manipular átomos de cobalto colocados sobre uma placa de manganês.
Ao reposicionar os átomos de cobalto sobre a superfície, eles alteraram a direção dos spins dos elétrons desses átomos.
Nas imagens registradas pelos cientistas, os átomos de cobalto aparecem como uma saliência única se a direção do spin estiver apontando "para cima", e como uma saliência dupla se ele estiver apontando "para baixo."
1 bit por átomo
O estudo sugere que é possível não apenas observar, mas também manipular diretamente o spin, uma descoberta que poderá ter impacto sobre o desenvolvimento futuro de sistemas de armazenamento magnético de maior capacidade e menores, de computadores quânticos e dos tão esperados dispositivos spintrônicos.
"Diferentes direções do spin podem representar diferentes estados para o armazenamento de dados," afirma Saw-Wai Hla, um dos autores do estudo.
Cada bit magnético registrado no disco rígido de um computador utiliza dezenas de milhares de átomos. "No futuro, nós poderemos usar um só átomo, guardando o bit em seu spin, multiplicando a capacidade dos computadores por milhares de vezes," diz Hla.
Construção de novos materiais
Mas isto ainda deverá demorar um pouco. O experimento que permitiu fotografar os spins dos átomos de cobalto foi feito a uma temperatura de 10 Kelvin, utilizando hélio líquido.
Há um longo caminho até que a manipulação dos spins agora demonstrada - sem a utilização de campos magnéticos externos e com uma magnetização tão estável que permitiu fazer uma fotografia do spin - possa ser feita a temperatura ambiente.
Apesar disso, o experimento é importante para o estudo das propriedades magnéticas de materiais em geral, já que ele demonstrou a possibilidade de manipular os átomos e detectar seus spins simultaneamente. Isto abre a perspectiva sobretudo para a construção de novos materiais com propriedades customizadas.
Para um outro feito importante nesta área, veja a reportagem Molécula individual é fotografada pela primeira vez.
Bibliografia:

Imaging and manipulating the spin direction of individual atoms
David Serrate, Paolo Ferriani, Yasuo Yoshida, Saw-Wai Hla, Matthias Menzel, Kirsten von Bergmann, Stefan Heinze, Andre Kubetzka, Roland Wiesendanger
Nature Nanotechnology
25 April 2010
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1038/nnano.2010.64

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fotografia-do-spin&id=010165100427

Computador quântico chega aos 14 qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/04/2011
Computador quântico chega aos 14 qubits
Os cientistas conseguiram entrelaçar 14 qubits (em cima), embora já tenham conseguido aprisionar 64 íons simultaneamente (embaixo). [Imagem: University of Innsbruck]
Quase 2 quBytes
Físicos quânticos da Universidade de Innsbruck, na Áustria, bateram outro recorde mundial no campo da computação quântica.
Rainer Blatt e seus colegas obtiveram o entrelaçamento quântico de 14 qubits, construindo o maior registrador quântico já feito até hoje.
Com este experimento, os físicos não apenas deram mais um passo rumo à construção de um computador quântico como também obtiveram resultados valiosos para o estudo do fenômeno quântico do entrelaçamento entre partículas.
O grupo de Innsbruck tem entre seus feitos mais recentes o primeiro simulador quântico e um raio laser quântico.
Entrelaçamento quântico
O termo entrelaçamento - também traduzido por emaranhamento - foi introduzido pelo físico Erwin Schrodinger em 1935 para descrever um fenômeno quântico que, embora já tenha sido muito bem demonstrado experimentalmente, ainda não é completamente bem compreendido.
Usando o entrelaçamento de qubits, um computador quântico poderá resolver problemas fora do alcance dos computadores atuais, a uma velocidade inimaginavelmente maior.
Contudo, partículas entrelaçadas não podem ser descritas como partículas individuais com estados definidos - elas formam um sistema.
"Torna-se ainda mais difícil entender o entrelaçamento quando há mais de duas partículas envolvidas," explica Thomaz Monz, coautor do trabalho agora publicado. "E nossos experimentos com muitas partículas nos dão novos insights sobre esse fenômeno."
Recordes quânticos
O recorde anterior da equipe era justamente 1 byte quântico - eles haviam entrelaçado 8 qubits.
Nenhum outro grupo conseguiu ainda reproduzir esse recorde anterior, e a equipe deu logo um salto para 14 qubits.
Os qubits são átomos de cálcio presos em uma armadilha iônica e manipulados com a luz de raios laser.
Recentemente, um grupo da Universidade de Oxford conseguiu entrelaçar 10 bilhões de possíveis bits quânticos em um chip de silício, mas eles ainda não conseguem manipular esses bits para que eles sejam usados em cálculos.
Superdecoerência
Os físicos descobriram que, em seu sistema, a taxa de decaimento dos qubits não é linear, como geralmente acontece, mas proporcional ao quadrado do número de qubits.
Ou seja, quando o número de partículas entrelaçadas cresce, a sensibilidade do sistema aumenta significativamente.
"Esse processo é conhecido como superdecoerência e só foi observado poucas vezes em um processamento quântico," diz Monz.
Isto é importante não apenas para o campo da computação quântica, mas também para a construção de relógios atômicos de alta precisão e para a realização de simulações quânticas em computador.
O grupo austríaco já consegue aprisionar até 64 partículas em sua armadilha de íons, mas ainda não é capaz de entrelaçar todas - isto pode dar uma ideia dos progressos a se esperar nesta área.
FONTE:  http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=computador-quantico-qubits&id=010110110406

Spintrônica: spin do elétron é medido em tempo real

Redação do Site Inovação Tecnológica - 02/09/2010

Esquema do experimento para observar a geração de segundo-harmônico induzido por correntes puras de spin, ou polarizadas pelo spin - (a) configuração no espaço real; (b) configuração no espaço de energia. [Imagem: Werake et al/Nature Physics]

Cientistas da Universidade do Kansas, nos Estados Unidos, descobriram uma forma de medir as correntes de spin dos elétrons no interior de um semicondutor em tempo real e de forma não destrutiva.

O trabalho de Lalani Werake, que empregou lasers pulsados de alta potência, é um passo importante no campo da spintrônica, onde elétrons individuais podem ser usados para armazenar dados binários.

Os pesquisadores comparam o avanço com a criação de um radar usado para medir a velocidade de um carro passando por uma estrada - em comparação com o método antigo, que equivaleria a calcular a velocidade do carro olhando várias fotografias estáticas.

Desafios da spintrônica

A grande promessa da spintrônica é substituir a enxurrada de elétrons que faz funcionar os transistores da eletrônica atual por um enfoque muito mais sutil, onde cada elétron individual se transforma em um bit.

"Falando de forma bem grosseira, um elétron pode ser visto como uma pequena bola que gira," explica Hui Zhao, orientador de Werake. "A diferença é que uma bola pode girar em qualquer velocidade, mas um elétron só pode girar a uma determinada velocidade - em um sentido horário ou anti-horário."

O giro em um sentido é utilizado para representar o "zero" e o giro no outro sentido é utilizado para representar 'um'. Como um único elétron pode guardar o dado, um equipamento spintrônico será mais rápido e deverá consumir uma fração da energia necessária para alimentar um equipamento eletrônico atual.

Um dos grandes obstáculos no caminho da spintrônica tem sido a dificuldade em detectar as correntes de spin dos elétrons em tempo real.

Há várias técnicas para gerar correntes puras de spin. Mas, até agora, não existia um método capaz de detectá-las diretamente, principalmente porque elas não apresentam uma magnetização líquida ou uma corrente líquida.

"Nós não temos sido capazes de monitorar a velocidade dos elétrons, mas a velocidade está associada com a corrente de spin," disse Zhao. "Assim, não existia ainda uma maneira de detectar diretamente a corrente do spin."

Geração de segundo harmônico

Agora, Werake demonstrou que disparar um feixe de laser sobre uma amostra de material semicondutor gera luzes de cores diferentes se os elétrons estão fluindo - e o brilho da luz tem uma relação com a intensidade da corrente de spin do elétron.

O efeito óptico, conhecido como "geração de segundo harmônico", pode monitorar a corrente de spin em tempo real sem alterar a própria corrente.

Este é um avanço significativo em relação à análise da corrente de spin hoje em uso.

A nova técnica de detecção pode ser aplicada em uma ampla gama de materiais com diferentes estruturas de banda eletrônica porque ela não se baseia em ressonâncias ópticas.

Além disso, o controle das propriedades ópticas não lineares de materiais com correntes puras de spin pode ter aplicações em fotônica integrada com a spintrônica.
Bibliografia:

Observation of second-harmonic generation induced by pure spin currents
Lalani K. Werake, Hui Zhao
Nature Physics
08 August 2010
Vol.: Published online
DOI: 10.1038/nphys1742

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=spintronica-spin-eletron-medido-tempo-real&id=010110100902

Neutrino camaleão abre caminho para uma nova física

Redação do Site Inovação Tecnológica - 01/06/2010
Neutrino camaleão abre caminho para uma nova física
O gigantesco detector Opera, formado por 150.000 pequenos "tijolos" de uma emulsão nuclear, separados por folhas de chumbo. Dispostos em paredes paralelas, são esses tijolos que detectam os neutrinos. [Imagem: Opera]
Cientistas do experimento Opera, localizado no laboratório Gran Sasso, na Itália, fizeram a primeira observação direta de uma partícula tau em um feixe de neutrinos do múon - isto significa que a partícula "oscilou", isto é, mudou de um tipo para outro.
Encontrar o tau do múon representa ter achado a peça que faltava em um quebra-cabeças que tem desafiado a ciência desde 1960.
O feixe de neutrinos foi enviado através da terra do CERN, onde está situado também o LHC, a 730 km de distância do detector.
Neutrinos
Neutrinos são partículas subatômicas com uma massa tão pequena que um deles é capaz de atravessar um cubo de chumbo sólido, com 1 ano-luz de aresta, sem se chocar com a matéria. Calcula-se que 50 trilhões de neutrinos atravessam o nosso corpo diariamente.
Existem três tipos de neutrinos: neutrino do elétron, neutrino do múon e neutrino do tau.
O quebra-cabeças dos neutrinos começou com uma experiência pioneira, realizada na década de 1960, que acabou rendendo o Prêmio Nobel de Física a Ray Davies.
Davies observou que os neutrinos vindos do Sol chegavam à Terra em um número muito menor do que os modelos teóricos previam: ele concluiu que, ou os modelos solares estavam errados ou algo estava acontecendo com os neutrinos em seu caminho.
Oscilação dos neutrinos
Uma possível solução para o enigma foi dada em 1969 por Bruno Pontecorvo e Vladimir Gribov, que sugeriram que mudanças oscilatórias, que eles chamaram de "mudanças camaleônicas", poderiam fazer com que os neutrinos transmutassem de um tipo para outro. Seria por isso que os neutrinos esperados não eram detectados em número suficiente.
Desde então, diversos experimentos observaram o desaparecimento dos neutrinos do múon, confirmando a hipótese da oscilação, mas até agora nunca havia sido observado o aparecimento de um neutrino do tau a partir de um feixe puro de neutrinos do múon.
Agora, pela primeira vez, os cientistas capturaram o neutrino camaleão conforme ele mudou de um neutrino do múon para um neutrino do tau.
"Estamos confiantes de que este primeiro evento será seguido de outros, que irão demonstrar plenamente a oscilação dos neutrinos," disse Antonio Ereditato, da colaboração Opera.
Paciência de físico
O achado é resultado de sete anos de construção do detector Opera, e mais três anos de disparos de um feixe de neutrinos, fornecido pelo CERN.
Durante esse tempo, bilhões de bilhões de neutrinos do múon foram enviados do CERN até Gran Sasso, em uma viagem que dura apenas 2,4 milissegundos.
A raridade da oscilação dos neutrinos, juntamente com o fato de que os neutrinos interagem muito fracamente com a matéria, torna este um tipo de experimento muito delicado e muito difícil de fazer.
O feixe de neutrinos do CERN foi ligado pela primeira vez em 2006, e desde então os pesquisadores do OPERA estão peneirando cuidadosamente seus dados para encontrar sinais do aparecimento de partículas de tau, um sinal de que um neutrino do múon teria oscilado em um neutrino do tau.
Paciência parece ser um pré-requisito fundamental na pesquisa da física de partículas.
Neutrino camaleão abre caminho para uma nova física
A grande expectativa é que essas partículas subatômicas ainda desconhecidas possam ajudar a lançar alguma luz sobre a Matéria Escura, um tipo desconhecido de matéria que compõe um quarto da massa do Universo. [Imagem: Opera]
Nova Física
Mas o que é mais importante é o que está por vir.
Embora feche um capítulo na compreensão da natureza dos neutrinos, a observação das oscilações dessas partículas, transmutando-se de um tipo em outro, é uma forte evidência de uma física totalmente nova.
A questão é que, na teoria que os físicos usam para explicar o comportamento das partículas fundamentais, conhecida como o Modelo Padrão, os neutrinos não têm massa.
Contudo, para que eles sejam capazes de oscilar eles devem ter massa - logo, algo deve estar faltando no Modelo Padrão.
Apesar de seu enorme sucesso em descrever as partículas que compõem o Universo visível, e as interações entre essas partículas, há muito tempo os físicos sabem que o Modelo Padrão não explica tudo.
Uma das possibilidades levantadas para essa nova física é a existência de outros tipos de neutrinos, ainda não detectados experimentalmente.
A grande expectativa é que essas partículas subatômicas ainda desconhecidas possam ajudar a lançar alguma luz sobre a Matéria Escura, um tipo desconhecido de matéria que compõe um quarto da massa do Universo.
Outra sinalização dessa nova física foi dada há poucos dias pela descoberta de uma assimetria entre a matéria e a antimatéria.

http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=oscilacao-neutrino-camaleao-nova-fisica&id=020130100601

Mecânica quântica: D. 36 degenerescência Spin