Arquivo da Categoria ‘física quântica’

INFORMAÇÃO: Preenchendo a lacuna Terahertz

sexta-feira, 13 de junho de 2008

Os instrumentos e equipamentos desenvolvidos pela tecnologia eletro-eletrônica dos últimos 100 anos, funcionam em função das características físicas dos seus componentes eletrônicos.

Uma dessas características é a freqüência eletromagnética utilizada para enviar ou receber informações.

Em freqüências abaixo de algumas centenas de gigahertz (GHz), os elétrons são os portadores de informação preferidos.

Já para as freqüências acima de alguns terahertz (THz) – incluindo as radiações no infravermelho (entre 300GHz e 400THZ), no visível (entre 400THZ e 790THz) e no ultravioleta (entre 790THZ e 30.000THZ – abaixo do Raio-X) – prevalecem as tecnologias ópticas.

A gama de freqüências situada entre esses dois limites, é referida como a lacuna THz, porque os materiais naturais não apresentam boa resposta nesse intervalo de freqüência

Por causa disso, ficam sem solução várias aplicações de interesse nas áreas de biosensoriamento, imagem, comunicação e segurança,.

Para ajudar a preencher essa lacuna, a equipe de Tao apresentou um metamaterial – uma estrutura artificial na qual a resposta electromagnética pode ser definida com um projeto arquitetônico – que tem forte resposta na lacuna THz.

Arquitetando uma estrutura em duas camadas de um composto metálico split-ring resonators, fios, e um poliimida spacer, eles mostram que a resposta da permissividade elétrica e da susceptibilidade magnética podem ser sintonizadas em separado.

Esses materiais arquitetados ilustram o potencial de acesso a uma faixa de freqüência normalmente inacessível aos materiais naturais.

Mais informações no Opt. Express 16, 7181 (2008).

FÍSICA APLICADA: Sintonizando um Fóton

sábado, 7 de junho de 2008

A atual capacidade científica e tecnológica para detectar um único fóton torna possível investigar as propriedades quânticas da luz e implementar estratégias de comunicação quântica e criptografia quântica com um único fóton transportando a informação.

Até esta data, os detectores de fótons têm dois padrões: podem ser projetados com sensibilidade para detectar um único valor da energia dos fótons ou para detectar uma vasta gama de energias.
No entanto nenhum apresenta a opção para sintonizar o comprimento de onda detectado.

Agora a equipe de Gustavsson descreve o detector com sintonia de freqüência para um único fóton no regime de microondas usando a estrutura de ponto quântico duplo.

Eles são capazes de deslocar os níveis discretos de energia de um ponto quântico em relação aos níveis de energia do outro ponto quântico por meio da aplicação de voltagens adequadas no portão de passagem dos elétrons.

Usando técnicas de detecção de carga elétrica resolvidas no tempo, eles conseguem relacionar diretamente a detecção do tunelamento de um elétron com a absorção de um único fóton, cuja energia corresponde a separação do nível de energia sintonizado entre os dois pontos quânticos.

Se você quer saber mais, consulte Phys. Rev. Lett. 99, 206804 (2007).

PONTOS QUÂNTICOS: Novas Possibilidades

quarta-feira, 4 de junho de 2008

Menor. . . menor. . . menor!

Na indústria de semicondutores, este mantra é traduzido por: mais rápido. . . mais rápido. . . mais rápido.

A questão central é: qual é o menor tamanho de um objeto que podemos obter?

Em muitos laboratórios de física a resposta pode ser: tão pequeno quanto um ponto quântico.

Os pontos quânticos (quantum dots) – estruturas sólidas com dimensões nanométricas crescidas em laboratório – frequentemente são citados como átomos artificiais porque apresentam níveis de energia discretos gerados pelos efeitos de confinamento quântico nas três dimensões.

No entanto os pontos quânticos são tipicamente formados por centenas ou até milhares de átomos, de tal modo que os efeitos de muitos corpos, ou característicos de corpos massivos, também estão presentes sob excitação ótica intensa.

Esses efeitos foram usados pela equipe de Xu para sintonizar a absorção e o ganho de pontos quânticos ativados por dois campos óticos diferentes.

Eles observaram a separação de Autler-Townes e o espectro de Mollow no espectro de absorção de um único ponto quântico e demonstraram ganho sem inversão de população.

Esses resultados podem viabilizar estudos bem controlados com pontos quânticos e abrir o caminho para aplicações em portões de lógica quântica (computador quântico) e chaves óticas.

O trabalho de Xu e sua equipe foi publicado em: SCIENCE, Volume 317, Issue 5840 August 17 2007

OBS:
1- A parte incoerente e inelástica do espectro da fluorescência ressonante do átomo impulsionado por laser, é conhecida como o espectro de Mollow [B. R. Mollow, Phys. Rev. 188, 1969 (1969)]

2- A separação de Autler-Townes representa a o efeito Stark com campos elétricos intensos variando rapidamente – utilizando rádio freqüência – e produz a resolução espectral de transições atômicas [ S.H. Autler, and C.H. Townes, Phys. Rev. 100, 703 (1955)].

3- O efeito Stark é o deslocamento e a separação de linhas espectrais dos átomos e das moléculas devido à presença de um campo elétrico externo estático.

SUPERCONDUTIVIDADE : Quase Cem Anos

terça-feira, 3 de junho de 2008

Nas ligações elétricas em nossas casas são usados fios feitos com metais – em geral o cobre, mas pode ser o alumínio – por que, sendo bons condutores de eletricidade em temperatura ambiente, os fios metálicos apresentam a melhor relação custo benefício nesse processo.

O matemático e físico alemão Georg Simon Ohm (1787-1854) estudou experimentalmente a condução elétrica nos fios metálicos em temperatura ambiente e, em 1827, estabeleceu que:

1- a razão entre a tensão elétrica V e a corrente elétrica i no condutor metálico é uma constante característica do circuito, a qual chamou de resistência elétrica: R = V/i.

2- cada material pode ser caracterizado pela resistividade (letra grega ), que está relacionada com a resistência R através da expressão:

na qual constam o comprimento L e a área transversal A do fio.

Ainda no século XIX, os pesquisadores já haviam observado que a resistência elétrica dos metais vai diminuindo conforme a temperatura também diminui.

Em 1908, o físico alemão Heike Kammerlingh Onnes (1853-1926) consegue desenvolver um complexo processo de criogenia que liquefaz o gás hélio quando atinge a temperatura T = – 269 graus Celsius ou 4,2 Kelvin.

Em 1911, Onnes começa a utilizar o hélio líquido para observar o comportamento elétrico de várias substâncias com a diminuição da temperatura, pois ele supunha que deveria haver uma temperatura limite abaixo da qual a resistência elétrica daquele metal atingiria o menor valor ou seria anulada e isso permitiria a melhor condução de eletricidade.

Não havia concordância com essa suposição, pois o matemático e físico escocês William Thomson, o Lord Kelvin (1824-1907) imaginava que em temperaturas muito baixas os condutores de carga elétrica – os elétrons, partículas atômicas identificadas em 1897, pelo físico inglês Joseph John Thomson (1856-1940) – congelariam.

O primeiro resultado de Onnes foi com o mercúrio, Hg – substância metálica – e para a sua surpresa, o que aconteceu foi completamente diferente do que ele imaginara: enquanto a temperatura diminuía até pouco acima de 4,2K, a resistência também diminuía conforme se esperava, mas quando o Hg atingiu a temperatura de 4,2K, a resistência simplesmente despencou para zero, conforme mostra o gráfico da resistência em função da temperatura medida em Kelvin, feito com as medidas realizadas pelo próprio Onnes. Diante disso, Onnes registrou: “Abaixo da temperatura de 4,2K, o mercúrio passou para um novo estado com extraordinárias características elétricas, o qual pode ser chamado de estado supercondutor”.

Assim nasce um novo campo de pesquisa para melhor conhecermos a natureza: em princípio todos os materiais podem apresentar a propriedade de supercondução abaixo de certa temperatura crítica específica para cada material.

A compreensão dos conceitos de resistência e resistividade elétrica e a descrição teórica da supercondutividade só foram adequadamente desenvolvidas com os conceitos da física quântica, pois é proveniente do comportamento coletivo dos átomos dos materiais, impossível de ser explicado com os conceitos da física clássica.

Durante mais de 60 anos esse conhecimento ficou hibernando nos laboratórios e nas bibliotecas das universidades, porque a supercondutividade dos materiais conhecidos só se manifestava para temperaturas críticas abaixo de 4,2K.

Essa limitação inviabilizou a sua utilização tecnológica, pois para manter o material com essa temperatura era muito dispendioso, tanto pelo custo do hélio líquido, quanto pelo sofisticado isolamento térmico que deveria envolver o material.

O grande desafio estava em identificar algum novo material, ou alguma modificação nos materiais conhecidos, que apresentasse a supercondutividade em temperatura crítica mais elevada, se possível até mesmo em temperatura ambiente.

Isso só aconteceu em 1987, com o surgimento das cerâmicas feitas em laboratório que apresentam supercondutividade em temperaturas críticas de 77K – a temperatura do nitrogênio líquido (ver comentário em postagem anterior: Supercondutores Cerâmicos – 20 Anos).

Agora, com custo inferior a 10% do custo do hélio líquido e menor custo no isolamento térmico, já é possível viabilizar o aproveitamento desse fenômeno, como já estão fazendo com eletroímãs em regime supercondutor, além do projeto de computador com todas os seus circuitos elétricos funcionando como supercondutor.

Nós ainda não estamos convivendo com as inovações provenientes dos materiais supercondutores.

Porém os atuais avanços tecnológicos estão aproximando esses materiais do nosso dia-a-dia.

Por isso continuarei a escrever sobre esse assunto.

Informação no Buraco Negro: Unificar Quântica e Gravitação?

sexta-feira, 30 de maio de 2008

Sobreviver sob a ação de um buraco negro não é fácil.

Simulações sugerem que quanto mais próximo dele, maior será a aceleração gravitacional.

Por exemplo: se a distância for 100 vezes o raio do buraco negro, a aceleração será 15 milhões de vezes maior que a aceleração g na superfície da Terra.

A aceleração aumentará para 9 bilhões de g se a distância diminuir para 4,5 vezes o raio do buraco negro. E assim por diante.

Mas os cálculos feitos por Abhay Ashtekar da Universidade Estadual da Pennsylvania, e seus colaboradores, sugerem que, sob certas condições, a informação quântica poderia sobreviver.

Essa equipe de físicos imagina o espaço-tempo como tendo fundamentalmente uma estrutura quântica.

Considerada desta forma, um ponto do buraco negro com massa infinita e atração gravitacional, conhecida como a “singularidade” do buraco negro, desaparece, evapora-se e as flutuações quânticas podem viajar direto através do núcleo do buraco negro.

Este resultado é importante porque atende a um princípio básico estipulado pela mecânica quântica: a informação quântica é sempre conservada.

Os autores esperam que o seu trabalho possa, um dia, ajudar a unificar a mecânica quântica com as teorias da gravidade, fato ainda hoje impossível.

OBS: Em 1975 Steve Hawking publicou um trabalho apresentando o “paradoxo da perda de informação” quando um buraco negro primordial evapora [S.W.Hawking, Comm.Math.Phys.43, 199 (1975)].

Mais informações: Phys. Rev. Lett. 100, 211302 (2008)
Foto colada de UTE KRAUS em “Step by step into a Black Hole”, 2004-2005

BURLANDO A CRIPTOGRAFIA QUÂNTICA

quarta-feira, 2 de maio de 2007

É possível burlar a criptografia quântica?

A criptografia quântica está fundamentada na interpretação do mundo microscópico feito pela Física Quântica. Por essa razão, muitos pesquisadores a consideram 100% inviolável (ver comentário em Senha e Criptografia Quântica).

No entanto uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), em Cambridge, conseguiu, pela primeira vez, burlar uma rede protegida por criptografia quântica.

Usando um truque feito com as ferramentas da própria Física Quântica, foi possível ler boa parte de uma mensagem criptografada sem que o remetente da mensagem e o receptor conseguissem perceber que a mensagem estava sendo violada.

O grupo admite que essa ferramenta de violação ainda não é capaz de ser executada em uma rede real. “Não é algo que atualmente poderia atacar um sistema comercial”, diz Jeffrey Shapiro, físico do MIT e um dos autores do estudo.

Mas alerta que um dia isso pode acontecer, se a criptografia quântica não for adequadamente adaptada para garantir que tais violações não sejam possíveis.

OBS: Trabalho foi publicado por T. Kim e colaboradores na Physical Review A, 75. 042327 (2007)

Sondando Memórias Quânticas

quarta-feira, 11 de abril de 2007

Você não está conseguindo associar completamente um nome a um rosto, ou associar um cantor com uma canção? Você sabe, ou pelo menos espera, que a informação se encontre intacta em algum lugar em sua memória, necessitando somente do truque, ou do estímulo correto da memória para a recuperar.

Para a comunicação através de processos quânticos, na qual a informação é transmitida ao longo dos canais quânticos e armazenada em memórias quânticas, é necessário que a informação armazenada esteja bem definida e seja recuperável.

Entretanto, é conhecido que as memórias quânticas são deterioráveis por causa do processo conhecido como decoerência, e em consequência os físicos têm que desenvolver seu próprio conjunto de truques para sondar e medir o grau de confiança dessas memórias.

Staudt e colaboradores (Phys. Rev. Lett. 98, 113601 – 2007) estudaram a informação quântica armazenada em uma memória ótica, na qual a informação está codificada por meio de um processo de transferência coerente da fase e das amplitudes de pulsos de luz em um material sólido apropriado.

Eles usaram a técnica de photon-echo por meio da qual uma seqüência de pulsos inicializa a célula de memória, codifica os dados dentro da célula, e usa um pulso lido para gerar um pulso eco estimulado que replica a informação armazenada.

A vantagem deste processo é que, embora as memórias possam ser perdidas, se forem recuperadas permanecem intactas.

OBS: A técnica de photon-echo foi desenvolvida a partir de um fenômeno de transição ótica coerente que ocorre em certos tipos de materiais, os quais mediante excitação de pulsos óticos via laser, produzem pulsos elétricos que são do mesmo tipo dos pulsos incidentes, por isso denominados por “eco de fóton”.

Congelando Objetos com Luz (LASER)

quarta-feira, 4 de abril de 2007

A freqüência vibracional de um oscilador mecânico se modifica em resposta às mudanças em seu ambiente: mudanças na pressão, na temperatura, ou na viscosidade do meio em que se encontra, por exemplo.
Do mesmo modo espera-se que a pressão da radiação exercida pela luz sobre um objeto pode afetar os modos de vibração de ressonadores mecânicos. Este fenômeno abre a possibilidade tanto de amplificar (aquecendo) ou de amortecer (congelando) o movimento do ressonador com luz.
Visto que o congelamento com laser agora é rotina para objetos microscópicos, tais como os átomos, adaptar a técnica para os objetos macroscópicos é desafiante, porque a dinâmica de back-action entre os fótons e o ressonador requer que os tempos de vida do fóton sejam suficientemente longos para interagir com os modos de vibração mecânica do ressonador.
Efetivamente, os fótons devem ficar confinados em uma cavidade durante uma escala de tempo comparável ao período mecânico da oscilação do ressonador.
Quatro pesquisas recentes feitas por Schliesser e colaboradores, Gigan e colaboradores, Arcizet e colaboradores, e Kleckner e Bouwmeester, obtiveram sucesso neste regime dinâmico de back-action e demonstraram eficiente congelamento ótico de um modo de vibração mecânico do oscilador às temperaturas criogênicas.
A habilidade de congelar objetos macroscópicos com luz não tem somente aplicações práticas, como a estabilização do espelho em interferômetros em grande escala, mas oferece também meios de sondar efeitos quânticos em sistemas mecânicos.
OBS: Ver artigos publicados: Phys. Rev. Lett. 97, 243905 (2006); Nature 444, 67; 71; 75 (2006).

Senhas e Criptografia Quântica

segunda-feira, 2 de abril de 2007

Atualmente está bem avançado o desenvolvimento de novo processo criptográfico estruturado no comportamento quântico da matéria, por isso batizado de criptografia quântica, com o objetivo de aumentar substancialmente o nível de segurança das senhas tão corriqueiras nos sistemas informatizados.

Esse processo está fundamentado em duas características básicas da informação quântica:

1- qualquer senha será criptografada em uma base com infinitos “dígitos quânticos” o que tornará muito mais difícil a sua “leitura” por um “ladrão de senha”, comparada com a atual criptografia baseada no sistema binário que opera com combinações de apenas dois dígitos: 0 e 1;

2- se ainda assim o “ladrão” conseguir decifrar a senha quanticamente criptografada, inevitavelmente deixará indelével registro de sua invasão de privacidade – queira, ou não – pois a natureza quântica denunciará a invasão ao verdadeiro usuário que providenciará a troca de senha; isso não acontece na criptografia binária, onde o “ladrão” só deixa vestígios se quiser!

Já estão instalados alguns sistemas bancários que usam a criptografia quântica, ainda em fase experimental.

Espera-se que até 2010 esse sistema de criptografia quântica já esteja em pleno funcionamento.