1- o efeito diodo;

2- o efeito fotovoltaico.

O diodo – dispositivo eletrônico feito com material semicondutor sólido – tem a função de permitir o fluxo de corrente elétrica no circuito em certo sentido, mas de proibir no sentido inverso.

Originalmente, esse efeito foi produzido no interior do semicondutor através da implantação, em regiões espacialmente vizinhas, de átomos doadores – com pelo menos um elétron a mais do que o átomo base do semicondutor – e átomos aceitadores – com pelo menos um elétron a menos do que o átomo base do semicondutor.

Mais tarde verificou-se que o efeito diodo também é produzido na interface de dois materiais semicondutores diferentes, a conhecida junção assimétrica.

Recentemente, T. Choi e equipe observaram o efeito diodo em um material puro constituído por cristais de óxido de ferro e bismuto (BiFeO3).

O fluxo de corrente elétrica unidirecional é devido à polarização elétrica no interior desse material, e o sentido desse fluxo de corrente pode ser revertido (ou comutado) pela inversão da direção de polarização elétrica através de uma tensão elétrica aplicada externamente.

Além disso, esses cristais ferroelétricos também geram uma corrente elétrica quando são expostos à luz visível – efeito fotovoltaico – mesmo quando não há tensão elétrica externa aplicada para definir o sentido da corrente gerada pelo efeito fotovoltaico.

Segundo os autores, esse comportamento incomum apresentado pelo BiFeO3 revela um tipo desconhecido de condução de carga elétrica que precisa ser identificado.

Isso deve reforçar os estudos dos dispositivos eletrônicos multifuncionais fundamentados no óxido de ferro e bismuto.

Melhores informações devem ser buscadas no artigo original.

T. Choi, S. Lee,^* Y. J. Choi, V. Kiryukhin, S.-W. Cheong, Science 3 April 2009:Vol. 324. no. 5923, pp. 63-66.

No entanto em certas circunstâncias é possível realizar a refração negativa em muitos sistemas, enquanto o índice de refração negativo é muito mais difícil de realizar.

Por exemplo, quando a refração negativa com luz visível foi recentemente anunciada para os guias de onda de plasma, cresceu a questão para saber se tais sistemas apresentam o índice de refração negativo.

O estudo computacional realizado pela equipe de Jennifer Dionne mostra que os guias de ondas com estruturas metal-isolante-metal fabricadas com materiais tipo prata e GaP particularmente podem apresentar o índice de refração negativo.

No caso dessas estruturas, são suprimidos os modos luminosos em competição.

Portanto a figura de mérito calculada é muito intensa, sugerindo baixa perda durante a propagação.

Baseado nesses achados, o desenvolvimento dos guias de onda de plasma com índice de refração negativo parece ser uma alternativa realística em relação aos atuais projetos de metamateriais.

Em particular, promete facilitar a integração com circuitos opto-eletrônicos e pode conduzir a novas geometrias tridimensionais.

A discussão completa está na revista  Opt. Expr. 16, 19001–19017 (2008)

Pela primeira vez o efeito da supercondutividade foi identificado pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) usando o mercúrio, o qual perdeu toda a resistência ao fluxo dos elétrons quando a temperatura baixou aos 4,0 graus Kelvin (ou -269 graus Celsius) , a temperatura em que o gás hélio se liquefaz. (Ver “Supercondutividade: quase 100 anos”)

A pesquisa de Onnes o tornou vencedor do Prêmio Nobel em 1913.

A questão principal é que ainda ninguém sabia explicar como isso podia acontecer.

Em 1933, os pesquisadores alemães Walter Meissner (1882-1974) and Robert Ochsenfeld (1901-1993) descobriram que um material na fase supercondutora repele o campo magnético!

Comportamento muito estranho, pois o funcionamento do motor elétrico e do gerador elétrico está fundamentado no fenômeno da indução magnética, efeito identificado pelo inglês Michael Faraday (1791-1867) em 1831: um ímã em movimento induz corrente elétrica em um circuito de material condutor.

O que acontece é que o campo magnético produzido pelo ímã é repelido pela corrente elétrica induzida no material supercondutor!

O material na fase supercondutora se comporta como um espelho magnético, refletindo o campo magnético produzido pelo ímã.

Esse efeito de repulsão magnética – batizado de Efeito Meissner – é tão intenso que o ímã levita sobre o material que está superconduzindo.

Outro desenvolvimento muito importante foi realizado em 1962, por Brian David Josephson – nascido em 1940 no País de Gales – com a previsão teórica de que a corrente elétrica pode fluir entre dois supercondutores, mesmo quando os mesmos estão separados por um material isolante (feito um sanduiche).

Depois que a sua previsão foi confirmada pelas experiências, Josephson dividiu o Prêmio Nobel de 1973 com o japonês Leon Isaki e com o.

Esse é o Efeito Josephson que tem sido aplicado em dispositivos eletrônicos como o SQUID, detetor de campo magnético de altíssima sensibilidade.

A supercondutividade causou perplexidade em algumas das melhores mentes do século XX até ser finalmente compreendida a partir do comportamento microscópico, em 1957, com a contribuição marcante dos vencedores do Prêmio Nobel de 1972, os físicos estadunidenses John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer, que desenvolveram a teoria clássica batizada por teoria BCS, as iniciais dos respectivos sobrenomes, para descrever o fenômeno da supercondutividade nos metais, ou materiais condutores de corrente elétrica.

Desde o início da década de 1960 tem havido muitas aplicações da supercondutividade incluindo grandes ímãs para obter imagens na medicina e para a física de alta energia, cavidades de rádio-frequência e componentes para uma variedade de aplicações, além de dispositivos de interferência quântica para magnetômetros sensíveis e circuitos digitais.

Em 1986, um sonho de muitos pesquisadores foi realizado com a descoberta dos compostos cerâmicos contendo camadas de cobre-oxigênio – o óxido de metal de transição BaLaCuO (bário-lantânio-cobre-oxigênio) – que superconduzem corrente elétrica com temperatura de 35 graus Kelvin.

A revolucionária descoberta da supercondutividade nesta classe de compostos foi o resultado da pesquisa de Johannes Georg Bednorz e Karl Alex Mueller, pesquisadores do Laboratório da IBM na Suíça, e por isso também venceram o Prêmio Nobel em 1987.

O que surpreende é que essas cerâmicas são isolantes elétricos em temperatura ambiente, mas quando são resfriadas até temperaturas muito baixas se comportam como supercondutores.
Isso implica que a teoria BCS não está mais conseguindo dar conta da supercondutividade apresentadas por esses novos materias, por isso está aberto o caminho para que quiser tentar explicar como a supercondutividade acontece nas cerâmicas, por exemplo.

Atualmente já existem outros materiais e as pesquisas continuam com o objetivo de conseguir o fenômeno supercondutor em temperatura ambiente.

Os dispositivos eletrônicos com comportamento não linear – nos quais a corrente elétrica não é diretamente proporcional a voltagem elétrica, segundo a relação de Ohm – são muito importantes na eletrônica moderna.

O mais comum e simples desses dispositivos é a junção p-n – na qual a separação espacial de cargas elétricas positivas (região p) e negativas (região n) cria uma diferença de energia elétrica de tal modo que permite intensa corrente elétrica no sentido p do circuito, mas controla o fluxo de cargas elétricas no sentido n oposto.

Esse comportamento – chamado de retificador – permite a ampla aplicação da junção p-n na produção de sinais elétricos, inclusive na conversão de corrente alternada em corrente contínua.

Em escala nanométrica, semelhantes comportamentos de transporte assimétrico de elétrons ou outras partículas podem ser produzidos com as ‘catracas quânticas‘, na quais os potenciais periódicos assimétricos facilitam o movimento em certo sentido, mas dificultam no sentido oposto (veja Fig. 1a).

Quando um elétron se move, transporta consigo não só a carga elétrica como também o spin, ou seja, um momentum angular intrínseco.

Ultimamente, considerável atenção tem sido focada sobre o campo da eletrônica do transporte de spin, ou “spintrônica“, que tenta desenvolver novas funcionalidades para dispositivos eletrônicos, centrando-se na corrente produzida pelo movimento organizado de spins, e não só da corrente produzida pelo movimento organizado das cargas elétricas.

Um avanço potencialmente importante para o uso prático desses dispositivos está apresentado no trabalho de Sergey Smirnov e colaboradores que prevê uma retificação híbrida, na qual uma corrente elétrica alternada produz uma corrente contínua de spin em uma catraca de spin não magnética e na ausência de campos magnéticos.

Gerar corrente de spin com corrente de carga elétrica em material magnético já é um processo totalmente dominado.

Uma corrente elétrica inicialmente não polarizada ao atravessar um material magnético, será transformada – através de mútuos processos de espalhamento (spin-flip) – em uma corrente com spin polarizado.

Em um dispositivo conhecido como o diodo de spin, uma corrente de spin contínua também pode ser produzida utilizando uma corrente elétrica alternada.

Nesse dispositivo, uma parede de domínio magnético separa duas regiões com magnetizações opostas, de tal modo que o potencial que atua sobre os portadores com spin para cima (spin-up) é oposto àquele que atua sobre os portadores com spin para baixo (spin-down).

Assim, em um diodo de spin, apesar da corrente de carga alternar em resposta a uma voltagem alternada aplicada, a corrente de spin é retificada.

Também é possível construir um dispositivo tipo catraca híbrido se de algum modo puderem ser gerados dois potenciais tipo catraca independentes para os dois sentidos da corrente de spin: spin para cima sendo transportado em sentido oposto ao spin para baixo (ver fig. 1b).

Isso poderia ser feito com material de engenharia utilizando materiais magnéticos, ou alternativamente, através da aplicação de campo magnético não homogêneo em um semicondutor não magnético.

Mas, ainda assim, tendo em vista as implementações práticas, um dispositivo que funciona sem quaisquer materiais magnéticos ou campos magnéticos é muito atraente.

OBS: Trabalho publicado por Smirnov, S., Bercioux, D., Grifoni, M. e Richter, K., Phys. Rev. Lett. 100, 230601 (2008).

Depositando camadas muito finas de materiais sobre um substrato com muito poucas imperfeições – e, por conseguinte, com portadores de carga elétrica com altas mobilidades – os pesquisadores têm conseguido estudar uma quantidade de fenômenos fundamentais, tais como os efeitos Hall quântico inteiro e fracionário.

As estruturas dos materiais crescidos por MBE são geralmente planas, por exemplo, os gases de elétrons em duas dimensões e os poços quânticos.

Agora a técnica está sendo ampliada para o crescimento de poços quânticos acondicionados em torno de nanofios.

O crescimento de nanofios de arseneto de gálio (GaAs) por MBE não é novidade, mas a equipe de Anna Fontcuberta i Moorral recentemente mostrou que durante o crescimento dos nanofios a modificação de alguns parâmetros desse crescimento torna possível depositar camadas epitaxiais com espessuras nanométricas de arseneto de gálio e aluminínio – (AlGa)As – e de arseneto de gálio – GaAs – envolvendo um nanofio de GaAs com base hexagonal.

Efetivamente, os nanofios são usados como substratos para os poços quânticos tubulares de GaAs /(Alga)As.

A alta qualidade cristalina desses poços combinada com a sua geometria poderá dar origem a novos fenômenos, de outro modo inacessíveis nas antigas estruturas padronizadas.

Esses fenômenos são estudados com a teoria da física quântica.

OBS: Os nanofios são estruturas com dimensões de nanometros, isto é, 1,0 metro dividido por 1.000.000.000.

O paradoxo é apresentado em uma experiência imaginária (ou de pensamento) proposta pelo físico austríaco Erwin Schrödinger, em 1935:

“Um gato é preso em uma caixa hermeticamente fechada, acompanhado de um frasco de gás venenoso e de uma partícula quântica a qual só tem dois estados de energia possíveis: E1 e E2.

Se a partícula quântica estiver no estado de energia E1 o frasco de gás pode ser quebrado, mas permanecerá intacto se a partícula estiver no outro estado de energia.

Como estará o gato quando a caixa for aberta: vivo ou morto?“

Embora a caixa esteja fechada, a interpretação da física quântica – definida durante um congresso em Copenhagen em 1927 – afirma que a partícula existirá como a superposição de ambos os estados de energia simultaneamente.

Essa interpretação propõe que a partícula tem certa probabilidade de ser encontrada em algum dos dois estados de energia de tal forma que a soma das probabilidades seja 100%.

Neste caso, é possível supor que a partícula tem 50% de probabilidade de ser encontrada em cada um dos estados de energia

Em consequência, o veneno também deve estar simultaneamente liberado e contido no frasco, e, por sua vez, o gato também deve estar tanto vivo quanto morto, enquanto a caixa permanecer fechada.

Porém quando a caixa é aberta, a superposição quântica colapsa – só um dos estados de energia pode ser medido – e, em um só instante, ou o gato está morto ou está vivo.

Schrödinger não propôs esse paradoxo para ficar brincando, mas para tentar mostrar que a interpretação da Física Quântica estaria incompleta ao afirmar que as partículas microscópicas existem em um estado de superposição dos dois, ou mais estados de energia quantizada.

Albert Einstein também não estava satisfeito com essa interpretação.

Recentemente foram publicados alguns trabalhos que apresentam resultados muito interessantes no campo da Física Quântica.

Nos próximos dias apresentarei esses resultados.

OBS: Erwin Rudolf Josef Alexander Schrödinger (1887-1961)
Albert Einstein (1879-1955)

Por que é tão pequena a geração de energia elétrica através de células solares?

Essa é uma pergunta freqüente quando se trata de aproveitamento da energia solar e Winfried Hoffmann afirma que a limitação industrial fica inteiramente por conta do alto custo das células.

Até agora, não é economicamente viável adquirir para a maioria das residências sistema de energia solar para a geração de eletricidade, porém esse quadro mudará muito nos próximos 20 anos.

O custo de geração de energia com célula solar tem decrescido 5% a cada ano e tudo indica que o setor industrial tem condições de pelo menos manter essa taxa.

Em 1991, nas condições climáticas da Alemanha, custava 1,1 euros a produção de 1,0kW de energia por meio de células solares; atualmente o preço está em torno de 0,40 euro.

Hoffmann ainda salienta que a maioria das indústrias no mundo está sendo subsidiada para pesquisar e produzir alternativas mais eficientes para o aproveitamento da energia solar.

Em compensação tem aumentado substancialmente a quantidade de profissionais trabalhando nesse projeto: há 10 anos cerca de 5000 pessoas trabalhavam na indústria fotovoltaica alemã e hoje já são mais de 40.000 pessoas.

Esse subsídio não vai ser eterno, desde que o custo de conversão da energia solar seja comparável ao de uma grande folha de árvore, que é o objetivo atual das células solares.

OBS: Winfried Hoffmann é presidente da Associação das Indústrias Fotovoltaicas Européias

Esse material superconduziu mergulhado no nitrogênio líquido, cuja temperatura de liquefação é 77K , ou (-196) graus Celsius.

A partir desse momento, pareceu que estava bem próxima a possibilidade de produzir fios e cabos desse material para conduzir corrente elétrica com resistência nula.

No entanto logo foi constatado que a densidade de corrente crítica para produzir e manter o estado de supercorrente que pode ser conduzida nesse material policristalino tem intensidade muito pequena.

Se aumentar a intensidade da corrente elétrica, o estado supercondutor é destruído.

Em muitos materiais a densidade de corrente é suprimida nos contornos granulares por causa de fenômenos tais como interface com carga elétrica acumulada e a curvatura da banda de energia da estrutura eletrônica.

A substituição parcial – processo de dopagem – do ytrium pelo cálcio no composto YBa2Cu3O7-d tem sido usada para aumentar substancialmente a intensidade da densidade de corrente no contorno granular, mas isso só ocorre em temperaturas muito menores que 77K.

Em 2000, o trabalho da equipe de Hammerl (ref.2) mostrou que uma super dopagem do contorno granular, relativa aos próprios grãos, produz densidade de corrente com intensidade que supera os valores anteriormente publicados.

Esses resultados indicam que a dopagem dos contornos granulares é uma abordagem viável para produzir cabos supercondutores funcionando com a temperatura do nitrogênio líquido.

1- Bednorz, J. G. &MuÈller, K. A. Possible high Tc superconductivity in the BaLaCuO system. Z. Phys. B64, (1986).
2- Mammerl, G. et al., Enhanced supercurrent density in polycrystalline YBa2Cu3O7-d at 77 K from calcium doping of grain boundaries, Nature, 407 (14 september 2000).

Há extenso repertório científico de possíveis aplicações já demonstradas para esses sistemas unidimensionais de camadas de carbono laminadas na forma de tubos.

Até o momento, os estudos óticos com os nanotubos de carbono limitavam-se apenas ao processo de caracterização do mesmo.

Agora a equipe de Högele mostrou que esse material exibe comportamento ótico descrito pela física quântica.

Os fótons – portadores de informação eletromagnética da matéria – se comportam como partículas bosônicas, por isso gostam de viajar juntos, empacotados: é o que acontece com a luz das estrelas, por exemplo.

No entanto, nos sistemas quânticos tais como os átomos ou mesmo os átomos artificiais, o confinamento dos portadores de carga elétrica pode desfazer o comportamento empacotado, resultando na emissão de fóton por fóton, cada um por vez.

Para aplicações tais como na comunicação ultra segura, é desejável o comportamento desempacotado.

Os autores dessa pesquisa excitam um único nanotubo de carbono com um pulso de laser e observam que, após a relaxação do sistema, a radiação é emitida fóton por fóton.

Os resultados sugerem que os nanotubos de carbono podem ampliar o seu repertório de aplicações para além dos circuitos lógicos e outros dispositivos eletrônicos: abrem-se os caminhos para os dispositivos optoeletrônicos quânticos.

Se você quer saber mais, leia o artigo na revista Phys. Rev. Lett. 100, 217401 (2008).

OBS: Os nanotubos de carbono são formados por camadas sólidas de grafite com dimensões de nanometros, ou seja, um bilhonésimo do metro (1/1.000.000.000).