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ÁTOMO: Esse Desconhecido (Parte 1)

quinta-feira, 5 de junho de 2008

A base do modelo atômico que até agora sobrevive a todas as experiências, vai completar 100 anos em 2013.

Aqui vou abordar alguns aspectos históricos que podem suscitar melhor compreensão a respeito do desenvolvimento desse modelo atômico.

1- Origem Ocidental do Atomismo

A concepção do modelo atômico no ocidente europeu está vinculada às primeiras teorias da estrutura da matéria resultante de dedução filosófica realizada pelos filósofos rotulados de materialistas em contraponto aos filósofos idealistas.

Há fragmentos interessantes do trabalho-poema Pery Physeos (Sobre a Natureza), do filósofo grego Parmênides (séc. VI AC) – nascido em Elea, cidade no sul da Italia – no qual o mesmo afirma que “o que é, é”, “o que não é, não é”, “o que é, não pode vir a ser o que não é” e “o que não é não pode vir a ser o que é”, concluindo pela impossibilidade de qualquer mudança no mundo. Desse modo, as mudanças observadas ao nosso redor, são apenas ilusões dos sentidos.

A primeira especulação filosófica registrada confere aos filósofos gregos pré-socráticos Leucipus de Mileto (ou de Eleia) e Democritus de Abdera (ambos do séc. V AC) e, posteriormente, a Epicurus de Samos (séc. IV AC), a proposta e o desenvolvimento da primeira teoria atômica considerando que a matéria é divisível de fato – conforme nos mostra a experiência diária – porém essa divisão não continuaria indefinidamente, devendo apresentar um limite quando fossem identificadas as partículas indivisíveis, pois então não seria mais possível cortá-las.

Essas partículas são os eternos e imutáveis corpúsculos atômicos, para os quais não havia explicação e nem a necessidade de haver, pois dotados de uma forma definitiva, não tinham cor, nem cheiro ou sabor e nem temperatura; eram separados entre si pelo espaço vazio e, pelas diferentes posições e movimento nesse espaço vazio, era produzida a ampla variedade de fenômenos perceptíveis ao ser humano.

Para Democritus, essas partículas são os eternos e imutáveis corpúsculos atômicos.

Em suas próprias palavras – “as únicas coisas que existem são os átomos e o espaço vazio; qualquer outra coisa é mera opinião” – fica patente a construção ocidental do átomo, do verdadeiro núcleo objetivamente real da matéria e de todos os fenômenos.

Os filósofos gregos considerados idealistas, como Platão (séc. IV a.C) e Aristóteles (séc. IV a.C), não concordavam com o conceito de atomismo.

Platão concebia as menores partículas de matéria apenas como formas geométricas e, como Empédocles de Agrigentum (séc. V AC), admitia a terra, a água, o ar e o fogo como os quatro elementos estruturais da natureza.

Na concepção platônica, as menores partículas do elemento terra tinham a forma de cubos, as menores partículas do elemento água tinham a forma de icosaedros, em forma de octaedros eram as partículas do elemento ar e de tetraedros aquelas do elemento fogo, pois a forma é característica para as propriedades do elemento.

Ao contrário de Democritus, Platão considerava que as menores partículas podiam ser alteradas, destruídas ou reconstituídas, pois todas podiam ser resolvidas em triângulos.

Com essa concepção, as menores partículas já não são indivisíveis e os triângulos deixam de ser matéria porque não possuem dimensões espaciais.

Conforme Platão, não existe mais algo efetivamente material e sim uma forma matemática, ou uma construção intelectual, pois o universo pode ser uniformemente inteligível a partir da simetria matemática, a imagem, a idéia.

Mas o poeta romano Lucretius (séc. I AC) retomou a teoria atômica de Demócritus em sua obra De Rerum Natura (Sobre a natureza das coisas), na qual o tema fundamental é que toda a matéria é composta de duas realidades: o sólido constituído pelos átomos e o espaço vazio, no qual os átomos se movem.

Sem dúvida, essa proposta tinha apenas cunho filosófico, pois até o século XVII DC, nenhuma conseqüência frutífera e concreta fora obtida dessa concepção atômica.

OBS: Na seqüência vamos abordar o advento científico do modelo atômico.

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.

SPINTRÔNICA: Novidades

sábado, 31 de maio de 2008

Motivadas pelas descobertas que ocorreram principalmente na última década do século XX, as pesquisas sobre as propriedades de transporte de spins em materiais sólidos estão sendo retomadas com muito vigor.

Diante das perspectivas já desenvolvidas, a compreensão dessas propriedades e as conseqüentes aplicações na construção de dispositivos spintrônicos é um conhecimento básico contemporâneo necessário para a atualização científica nessa área com caráter multidisciplinar.
O tema central da spintrônica é a manipulação ativa dos graus de liberdade do spin em sistemas no estado sólido.

O controle de spin pode ser tanto da população e da fase de spin de uma coleção de partículas, quanto da manipulação coerente de um sistema com um único ou com poucos spins.
Os pesquisadores da spintrônica trabalham com dois objetivos gerais:
a- compreender a interação entre o spin da partícula e o seu respectivo ambiente de estado sólido;
b- construir dispositivos úteis com esse conhecimento.
As pesquisas básicas incluem o transporte de spins em materiais eletrônicos, a dinâmica de spin e a relaxação de spin.

Essas pesquisas procuram responder perguntas do tipo:
- “Qual é um modo efetivo para polarizar um sistema de spins?”
- “Por quanto tempo o sistema é capaz de lembrar a sua orientação de spin?”
- “Como o spin pode ser detectado?”
De modo geral, as pesquisas podem ser agrupadas em dois ramos:
1- Transporte de spin polarizado e efeitos de resistência magnética;
A característica básica desse grupo está nas medidas de tunelamento no transporte de spin polarizado que revelaram a modificação das curvas de corrente versus tensão através da aplicação de um campo magnético e esse resultado é interpretado por uma resistência magnética de tunelamento (TMR).
Em 1995 foi descoberta a TMR a temperatura ambiente que aplicada em junções magnéticas as quais são a base para os protótipos de memória magnética de acesso aleatório.
Inclui-se nesse grupo o estudo da resistência magnética gigante (GMR) com aplicação em dispositivos de memória não volátil.
2- Injeção de spin e orientação ótica.
A característica principal deste grupo é a geração de sistemas de spin fora do equilíbrio para aplicar na construção de dispositivos fotoemissores de elétrons com spins polarizados muito úteis em poderosas técnicas de detecção na física de alta energia e na pesquisa de magnetismo em superfícies.

Quer saber mais? Consulte: Igor Zutic et al., “Spintronics: Fundamentals and applications”, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 76, APRIL 2004.

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