Memória quântica guarda dados em cristais sólidos

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/05/2012

Memória quântica guarda fótons em cristais sólidos

Os valores de qubits são essencialmente estados quânticos de fótons, registrados em átomos de terras raras implantados no interior do cristal. [Imagem: F. Bussières/University of Geneva]

Memória quântica sólida

Os primeiros experimentos com memórias quânticas – o registro de um qubit para que ele possa ser processado ou lido mais tarde – começaram com os complicados e sensíveis condensados de Bose-Einstein.

Mas os cientistas sempre souberam que, para chegar a um computador quântico prático, seria antes necessário desenvolver memórias quânticas de estado sólido.

Vários materiais sólidos conseguem armazenar estados quânticos – um determinado valor armazenado em um qubit – por longos períodos.

Ocorre que esses valores de qubits são essencialmente estados quânticos de fótons – e os materiais sólidos até então testados só conseguiam absorver de forma eficiente a luz de uma determinada polarização.

Contudo, sempre tendo em vista a praticidade, memórias quânticas deverão ser capazes de armazenar qualquer polarização da luz.

Memória quântica confiável

Agora esse problema foi resolvido, simultaneamente e de forma diferente, por nada menos do que três equipes diferentes: uma da China, outra da Espanha e uma terceira da Suíça.

Todas as equipes conseguiram armazenar e ler de volta dados de uma memória quântica de estado sólido, utilizando estado arbitrários de polarização da luz.

Os dados são gravados por fótons individuais, que são absorvidos por íons de terras raras confinados no interior de um cristal.

A diferença do trabalho das três equipes é que cada uma usou uma técnica de compensação diferente para manter o dado armazenado por longos períodos de tempo – onde longo significa algumas centenas de nanossegundos, como ocorre com o chamado “período de latência” das memórias clássicas dos computadores atuais.

Todas as técnicas alcançaram uma fidelidade – uma medida da confiabilidade da recuperação do dado do qubit – maior do que 95%, o que supera o valor máximo que se pode obter com uma memória clássica.

Bibliografia:
Quantum Storage of Heralded Polarization Qubits in Birefringent and Anisotropically Absorbing Materials
Christoph Clausen, Félix Bussières, Mikael Afzelius, Nicolas Gisin
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190503
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190503
Quantum Storage of a Photonic Polarization Qubit in a Solid
Mustafa Gündogan, Patrick M. Ledingham, Attaallah Almasi, Matteo Cristiani, Hugues de Riedmatten
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190504
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190504
Realization of Reliable Solid-State Quantum Memory for Photonic Polarization Qubit
Zong-Quan Zhou, Wei-Bin Lin, Ming Yang, Chuan-Feng Li, Guang-Can Guo
Physical Review Letters
Vol.: 108, 190505
DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.190505

A incrível arte de montar objetos com átomos e moléculas

Redação do Site Inovação Tecnológica – 12/05/2012

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Montar uma caixa, algo trivial em escala humana, torna-se um desafio quando é preciso acondicionar nanopartículas ou picolitros de alguma substância. [Imagem: NSF]

Brincadeira de cientista

Montar objetos usando peças que você consegue ver e pegar é tão fácil que virou literalmente brincadeira de criança.

É assim também que são montadas todas as máquinas que usamos, de torradeiras e automóveis, até navios e naves espaciais.

Mas átomos e moléculas não podem ser manipulados tão facilmente quanto porcas e parafusos.

Empenhados em desenvolver técnicas que permitam a fabricação de dispositivos ultraminiaturizados, de nanorrobôs a memórias de computador que consigam armazenar mais dados por área, os cientistas estão tendo que criar ferramentas totalmente novas.

Esse desafio, que depende de um auxílio especialmente intenso da matemática, está sendo vencido aos poucos, com pinças de luz, moldes de DNA, alicates magnéticos e vários outros artifícios.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Há 43.480 jeitos diferentes de dobrar um dodecaedro. A vantagem é que, em nanoescala, ele vira uma caixa sozinho. [Imagem: Gracias/Menon/NSF]

Matemática da nanotecnologia

Imagine montar uma caixa, algo trivial em escala humana, mas que se torna um desafio quando é preciso acondicionar nanopartículas ou picolitros de alguma substância.

Mas, vencido o desafio, há uma grande vantagem: as nanocaixas montam-se sozinhas.

É verdade que David Gracias, da Universidade Johns Hopkins não teria nem começado a construir suas caixas tridimensionais automontantes sem a ajuda da matemática.

Foi Govind Menon, da Universidade Brown, quem descreveu matematicamente como os materiais planos deveriam ser cuidadosamente cortados para que resultassem em caixas perfeitamente lacradas, que poderão ser usadas para levar medicamentos para o interior do corpo humano.

“Há 43.480 jeitos diferentes de dobrar um dodecaedro,” disse Menon.

“Da mesma forma que a natureza monta tudo, de conchas do mar a pedras preciosas, sempre de de baixo para cima, a ideia da automontagem promete se tornar uma técnica totalmente nova de fabricar objetos partindo de átomos e moléculas,” completa Gracias.

Depois de feitos os cortes com precisão, tudo o que é necessário fazer é aquecer o material para que, sozinho, ele crie a nanodobradura com perfeição.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As folhas são fabricadas por uma técnica de impressão, e depois se dobram com água. [Imagem: Zina Deretsky/NSF]

Pétalas que se fecham

O trabalho de Christian Santangelo e Ryan Hayward, da Universidade Massachusetts-Amherst é muito parecida – na verdade é complementar à de Gracias e Menon.

Eles empregaram técnicas fotográficas para imprimir folhas de polímeros já nos formatos adequados às dobraduras.

Em vez do calor, contudo, as folhas dobram-se no formato desejado apenas com a adição de água – a tensão superficial de microgotas é suficiente para levantar as “pétalas” das flores impressas.

As estruturas 3D finais são mais parecidas com sacos do que com caixas, e são curadas para permanecer na posição definitiva com luz ultravioleta.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As estruturas metálicas têm detalhes estruturais 100 vezes menores do que uma bactéria. [Imagem: Scott Warren/Uli Wiesner/Cornell]

Nanotecnologia metálica

Scott Warren e Uli Wiesner, da Universidade de Cornell, preferem montar estruturas metálicas.

Eles desenvolveram uma tecnologia capaz de fazer com que folhas metálicas sigam seu próprio caminho, automontando-se em caixas cujos detalhes estruturais são 100 vezes menores do que uma bactéria.

Ao contrário das grandes fábricas de produtos metálicos, às voltas com altos-fornos e grandes prensas, a nanometalurgia usa polímeros, frágeis e moles, para guiar as folhas de metal, que não são assim tão duras quando têm apenas poucos átomos de espessura.

Trabalhar com metais tem outro foco de aplicações, que inclui catalisadores mais eficientes e mais baratos para células a combustível e estruturas que guiam a luz para transportar mais informações no interior dos processadores fotônicos.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

As partículas ocas serão nanorreatores, no interior dos quais quantidades ínfimas de compostos poderão reagir em condições estritamente controladas. [Imagem: Michael D. Ward/New York University]

Nanorreatores

Mike Ward, da Universidade de Nova Iorque, não gosta tanto de dobraduras, e desenvolveu uma técnica para criar nanopartículas cristalinas já ocas.

Segundo ele, a criação do espaço vazio garante mais pureza da nanocaixa, evitando reações químicas indesejadas.

E o químico não poderia estar interessado em outra coisa que não fazer reações químicas: suas nanopartículas ocas foram projetadas para serem nanorreatores, no interior dos quais quantidades ínfimas de substâncias químicas poderão ser postas para reagir, em condições estritamente controladas.

“Nós queremos criar estruturas que sirvam como um ‘hotel’ para moléculas ‘convidadas’,” disse Ward.

“Isso tornará possível separar os compostos químicos por tamanho das moléculas ou fazer reações em locais bem definidos e isolados, o que dará maior controle sobre a reatividade química e os produtos finais da reação,” completa ele.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

Os vasos de DNA não deixam nada a dever aos vasos e peças decorativas e funcionais de cerâmica. [Imagem: Hao Yan/Arizona State University]

Origami e arte

Hao Yan e Yan Liu, da Universidade do Estado do Arizona, estão entre os muitos que apostam nas moléculas de DNA e suas incríveis capacidades de conexão, que se encaixam apenas nos locais adequados.

Isso dá uma flexibilidade e uma precisão na montagem que não se consegue, ainda, obter de outro modo.

Usando a técnica, adequadamente batizada de origami de DNA, que já foi usada até para construir nanorrobôs que andam, os cientistas estão criando estruturas que não deixam nada a dever aos vasos e peças decorativas de cerâmica.

De novo, a vantagem é que os receptáculos podem ser projetados com antecedência, deixando a a montagem por conta das fitas de DNA, que recusam-se a se ficar nos locais inadequados, garantindo peças sempre perfeitas.

Veja mais detalhes desta incrível “arte nanotecnológica” na reportagem Origami de DNA cria nanoestruturas 3-D.

A difícil e apaixonante arte de montar legos com átomos e moléculas

A técnica de nanoconstrução guia as partículas por magnetismo, permitindo a criação de estruturas com vários materiais. [Imagem: Benjamin Yellen]

Montagem magnética mista

Benjamin Yellen, da Universidade de Duke, também prefere as automontagens, mas no lado “duro” da nanotecnologia.

Em vez de moléculas biológicas, ele está usando nanopartículas cristalinas, que podem ser metálicas ou cerâmicas.

Feitas as partículas, elas encontram seu caminho para montar as estruturas desejadas quando detectam variações em sua concentração ou na presença de campos magnéticos.

Yellen também precisou da matemática para conseguir isso.

“Nós não apenas desenvolvemos o arcabouço teórico dessa nova técnica, como demonstramos no laboratório que ela pode criar mais de 20 estruturas previamente programadas,” disse ele.

Além das caixas, foram criados anéis, correntes e até malhas parecidas com tabuleiros de dama, com nanopartículas de tipos diferentes.

E esse, juntamente com o controle externo por um campo magnético, é o grande trunfo da nova técnica, permitindo a criação de nanoestruturas feitas de diversos materiais.

Nanofuturo

“A era da miniaturização promete revolucionar nossas vidas. Podemos fazer estas nanocaixas a partir de uma grande quantidade de materiais diferentes, tais como metais, semicondutores e mesmo polímeros biodegradáveis para uma série de aplicações ópticas, eletrônicas, ou para carregarem medicamentos,” entusiasma-se o professor Gracias. “Por exemplo, há uma necessidade na medicina para criar partículas inteligentes que possam alvejar tumores específicos, doenças específicas, sem despejar drogas no resto do corpo, de forma a limitar os efeitos colaterais.”

E, com tantas opções de automontagem, talvez já não seja mais ficção imaginar milhares de minúsculas partículas biodegradáveis, precisamente estruturadas e contendo em seu interior apenas os compostos químicos desejados, de alta pureza, correndo através da corrente sanguínea a caminho de um órgão doente.

Ou então, partículas sendo guiadas por luz ou por magnetismo para montar componentes eletrônicos com dimensões moleculares, no interior dos processadores de computador do futuro.

Mas é necessário concordar que essa é a visão para um futuro, ainda que não tão distante.

Para ligar o hoje com esse futuro, os cientistas precisam aprimorar o projeto das suas nanoestruturas, de forma que elas possam ser fabricadas sem variações e em grandes quantidades.

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como "ligação química"

Redação do Site Inovação Tecnológica – 07/04/2012

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como

A técnica não se restringe a copiar cristais naturais, mas permite construir estruturas completamente novas, não encontradas em minerais naturais. [Imagem: Science/AAAS]

Superando a natureza

Usando uma abordagem de baixo para cima, a natureza pega átomos e, através de ligações químicas, elabora materiais cristalinos, como diamantes, silício ou sal de cozinha.

Em todos eles, as propriedades dos cristais dependem do tipo e do arranjo dos átomos dentro da rede cristalina.

Agora, uma equipe de cientistas da Universidade Northwestern, nos Estados Unidos, descobriu como copiar a natureza para construir materiais cristalinos, não a partir de átomos, mas de nanopartículas e de moléculas de DNA.

Usando nanopartículas como “átomos”, e fitas de DNA como “ligações químicas”, os cientistas descobriram como criar cristais com as partículas dispostas nos mesmos tipos de configurações das redes atômicas dos cristais encontrados na natureza.

A vantagem é que a técnica não se restringe a copiar cristais naturais, mas permite construir estruturas completamente novas, não encontradas em minerais naturais.

Tabela periódica de formas

As regras básicas de montagem desses materiais artificiais abrem a possibilidade de produzir uma variedade de novos materiais que poderão ser úteis em tecnologias como catalisadores, eletrônicos, óptica, biomedicina e energia.

“Estamos construindo uma nova tabela periódica de formatos,” disse o professor Chad Mirkin, que liderou a pesquisa. “Usando essas novas regras de design e nanopartículas como ‘átomos artificiais’, desenvolvemos modos de cristalização controlada que são, em muitos aspectos, mais poderosos do que a forma como a natureza e os químicos produzem materiais cristalinos a partir de átomos.

Química artificial usa nanopartículas como átomos e DNA como

“As partículas podem ser movidas para mais perto ou mais para longe umas das outras alterando o comprimento do DNA de interligação, proporcionando assim uma ajustabilidade quase infinita.” [Imagem: Science/AAAS]

“Controlando o tamanho, forma, tipo e localização das nanopartículas dentro de uma estrutura, podemos fazer materiais e arranjos de partículas completamente novos, e não apenas o que a natureza dita.”

“Uma vez que tenhamos um certo tipo de estrutura,” prossegue Mirkin, “as partículas podem ser movidas para mais perto ou mais para longe umas das outras alterando o comprimento do DNA de interligação, proporcionando assim uma ajustabilidade quase infinita.”

Interligação por DNA

Os cientistas começaram com duas soluções de nanopartículas revestidas com cadeia simples de DNA.

Em seguida, eles adicionaram cadeias de DNA que se ligam a estas partículas funcionalizadas, que apresentam um grande número de “extremidades aderentes” a uma distância controlada a partir da superfície da partícula.

Essas terminações “pegajosas” ligam-se às extremidades coesivas das partículas adjacentes, formando uma arranjo macroscópico de nanopartículas.

Foram obtidas diferentes estruturas cristalinas utilizando diferentes combinações de nanopartículas – com diferentes tamanhos – e fitas de DNA com comprimentos controláveis.

O processo é análogo ao modo como as redes cristalinas atômicas são formadas.

Siliceno: o novo substituto do grafeno

Elemento feito de silício, porém tão fino quanto o grafeno, adapta-se melhor aos equipamentos eletrônicos atuais.

Por Beatriz Smaal em 28 de Março de 2011

Linhas de um átomo

Fonte da imagem: Guy Le Lay/Science News

Se você já ouviu falar do grafeno, sabe que ele é cotado como o grande responsável por substituir outros elementos (especialmente o silício) na construção de computadores e baterias, trazendo alta condutividade para os equipamentos eletrônicos.

Entretanto, existem inúmeras pesquisas sendo realizadas para trazer novas opções para a produção de condutores e semicondutores, levando o que há de melhor na física e química para o seu próximo computador.

Um desses novos produtos é o siliceno, testado experimentalmente por dois times diferentes de especialistas. Tanto os físicos da Ishikawa (no Japão) quanto de Marselha (na França) chegaram a uma estrutura similar, capaz de realizar as mesmas tarefas que uma folha de grafeno.

O siliceno (silicene) é uma lâmina extremamente fina, com um átomo de espessura. Porém, em vez de ser construído com grafite, como o grafeno, ele tem uma camada de silício, produto já largamente usado na indústria eletrônica.

Estrutura do siliceno

Fonte da imagem: Guy Le Lay/Science News

Apesar de não se alinhar naturalmente para formar a lâmina, o silício pode ser manipulado com prata e cerâmica para apresentar essas características. Com isso, o siliceno está mais integrado com os aparelhos eletrônicos da atualidade, já que eles se utilizam do elemento para funcionar.

Os estudos sobre esta nova forma ainda estão em fase inicial, ou seja, ainda são necessários vários anos para que a novidade seja aplicada em aparelhos comerciais. Além disso, os cientistas precisam encontrar uma maneira mais simples de criar o siliceno, para que ele se torne tão viável quanto o grafeno.

Siliceno, o substituto do grafeno, começa a dar seus primeiros passos

Composto feito de silício foi transformado em uma lâmina de apenas um átomo de espessura pela primeira vez.

O componente que combina as variadas capacidades do silício com a finura extrema do grafeno. Apontado por muitos como o futuro dos elementos usados na fabricação de hardware, o material acaba de ganhar forma pela primeira vez.

A novidade é resultado do trabalho conjunto do professor alemão Patrick Vogt, da Universidade Técnica de Berlim, e colegas da francesa Universidade Aix-Marseille. De acordo com a New Scientist, eles criaram o siliceno condensando vapor de silício em uma placa de prata, formando assim camadas com a espessura de um único átomo.

As características do grafeno e do siliceno são semelhantes, e aí está a vantagem deste material. Como ele é feito do mesmo componente da maioria dos chips fabricados na atualidade (o silício), sua adaptação às linhas de produção seria muito mais simples e barata.

Fonte: New Scientist

Leia mais em: http://www.tecmundo.com.br/hardware/22886-siliceno-o-substituto-do-grafeno-comeca-a-dar-seus-primeiros-passos.htm#ixzz1tY7iah1q

Leia mais em: http://www.tecmundo.com.br/9332-siliceno-o-novo-substituto-do-grafeno.htm#ixzz1tY7Orldj

Terra e Lua foram atingidas por mais e maiores asteróides, revela estudo

Londres, 25 abr (EFE).- Há aproximadamente 3,8 bilhões de anos, a Terra e a Lua receberam impacto de inúmeros asteróides gigantes, maiores do que os que extinguiram os dinossauros, e durante um período mais longo do que se achava, informou nesta quarta-feira a revista científica “Nature”. “Descobrimos que asteróides gigantes, similares ou maiores aos que acabaram com os dinossauros, se chocaram contra a Terra com muito mais frequência do que se pensava”, explicou à Agência Efe o astrofísico William Bottke, do Southwest Research Institute (Colorado, EUA.). Autor de um dos dois artigos publicados na última edição da “Nature”, sobre o impacto dos meteoritos, Bottke defende que ao cerca de 70 asteróides de grandes dimensões impactaram contra a Terra durante o período Arqueano, que está compreendido entre 2,5 bilhões e 3,8 bilhões de anos atrás. Segundo Bottke, esses asteróides também atingiram a Lua. “Nosso trabalho sugere que o Arqueano, um período de formação da vida e de nossa biosfera, foi também uma época marcada por muitos impactos de meteoritos de grande magnitude. Isto nos ajudará a entender melhor os primeiros períodos da história da vida na Terra”, declarou Bottke. Já Brandon Johnson, da Universidade de Purdue (Indiana, EUA.), argumenta que estes violentos impactos tiveram um papel maior do que imaginávamos na evolução das primeiras formas de vida terrestre. “Apesar de sempre pensarmos nos meteoritos como um detrimento para a vida, eles poderiam ter contribuído para a formação da mesma ao trazer material orgânico à Terra e produzir sistemas hidrotermal capazes de gerar vidas”, detalhou Johnson à Agência Efe. As descobertas de ambos os cientistas respaldam o “Modelo de Nice”, uma hipótese que defende que os planetas gigantes gasosos do Sistema Solar (Júpiter, Saturno, Urano e Netuno) migraram a partir de uma distribuição inicial mais compacta até suas atuais posições. O deslocamento destes planetas originou muitos asteróides, que, posteriormente, se viram atraídos em direção ao interior do Sistema Solar. Alguns destes asteróides impactaram violentamente contra a Terra, a Lua e outros corpos, um fenômeno conhecido como bombardeio intenso tardio. “Estes impactos geraram grandes crateras sobre a superfície lunar, que, por sinal, foram conservados muito melhor do que as da Terra. Esse fato pode apresentar uma grande quantidade de informações e compreender melhor este fenômeno”, explicou Bottke. No total, os cientistas contabilizaram na Lua 30 crateras com um diâmetro maior que 300 quilômetros e com idades que oscilam entre os 4.1 bilhões e os 3.8 bilhões de anos, mais antigos que as crateras encontradas na Terra. Muitas crateras da superfície terrestre se perderam por causa da erosão e dos movimentos das placas tectônicas, sendo que poucas rochas dessa era sobreviveram e, por isso, os estudos de impacto de meteoritos há mais de 2 bilhões de anos possui uma maior dificuldade. No entanto, o choque desses meteoritos fundiu algumas das rochas salpicadas que se esfriaram até se transformar em pequenos pedaços de vidro, denominadas esférulas. A partir dessas amostras, Bottke e Johnson estimaram a data do impacto, além do número e do tamanho dos asteróides. Existem aproximadamente 20 jazidas de esférulas na Terra, que, segundo os especialistas, serão de grande utilidade para futuros. EFE cgo/fk

“Copyright Efe – Todos os direitos de reprodução e representação são reservados para a Agência Efe.”

Simulador quântico permite pilotar átomos

Redação do Site Inovação Tecnológica – 26/04/2012

Simulador quântico permite pilotar átomos

Um simulador quântico permite testar os materiais nas mesmas regras e condições da física à qual eles estão sujeitos, a física quântica. [Imagem: Britton/NIST/Nature]

Simuladores clássicos

Pouco mais de um ano depois do lançamento do primeiro simulador quântico, essa ferramenta cujo desenvolvimento se faz cada vez mais imprescindível, teve seu poder multiplicado por 10, atingindo níveis práticos de utilização.

Quando os cientistas querem estudar materiais ou fenômenos, do dobramento das proteínas à formação das estrelas e galáxias, eles constroem simuladores.

São programas de computador que partem das leis fundamentais da física ou da química para reproduzir o objeto de estudo de forma virtual.

Eles permitem, por exemplo, que diversas teorias sejam testadas, aferindo os resultados do computador com as observações experimentais.

Mas, mais importante, os simuladores produzem, em uma questão horas ou dias, opções para a sintetização de novos materiais, ou de novos medicamentos, que seriam impossíveis de obter testando composto por composto no laboratório.

Simuladores quânticos

Mas tudo é diferente com a mecânica quântica, simplesmente porque as leis que governam o mundo quântico são absolutamente bizarras quando comparadas com as leis que governam o nosso mais comportado “mundo clássico”.

No nosso dia-a-dia, coisas não atravessam paredes, não ocupam dois lugares ao mesmo tempo e não se influenciam mutuamente mesmo se uma delas estiver aqui na Terra e outra no outro lado da galáxia.

Tudo isso é natural no mundo quântico, onde esses fenômenos recebem nomes como tunelamento, superposição e entrelaçamento.

Ocorre que não dá para simular esses eventos com um programa clássico rodando em um computador clássico – é até possível simular algo com até 30 átomos, mas não dá para ir além disso.

Para isso é necessário construir um simulador quântico, um sistema que teste os chamados sistemas quânticos nas mesmas regras e condições da física à qual eles estão sujeitos, a física quântica.

Desta forma será possível descobrir os meandros do funcionamento dos transistores, dos supercondutores, da fotossíntese, enfim, de todos os processos que se dão em uma escala onde os personagens são moléculas, átomos ou mesmo partículas subatômicas.

E esse é o cenário permanente no mundo das nanociências e das nanotecnologias.

Simulador quântico permite pilotar átomos

Com um simulador quântico de 350 qubits será possível obter 10100 estados diferentes. [Imagem: Britton/NIST]

Simulador quântico na prática

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia (NIST), dos Estados Unidos, deram agora um passo decisivo no caminho do desenvolvimento desses simuladores quânticos.

Joseph Britton e seus colegas construíram um simulador quântico que consegue acompanhar a interação entre centenas de partículas, representadas por bits quânticos.

O dispositivo foi testado e mostrou-se capaz de simular processos essenciais na ciência dos materiais, que procura desenvolver novos materiais mais leves, mais fortes e mais duráveis através da manipulação dos componentes em escala molecular.

O simulador consiste de uma minúscula chapa de cristal, com menos de 1 milímetro de diâmetro, contendo centenas de íons de berílio, e flutuando no interior de um dispositivo chamado armadilha de Penning.

A camada mais externa de elétrons de cada íon funciona como um minúsculo ímã quântico, cuja magnetização representa o equivalente de um 0 ou um 1 de um computador clássico – com a diferença de que esses qubits se comportam como partículas quânticas verdadeiras, com todas as suas estranhas e inusitadas interações.

Pilotando átomos

O aumento do número de qubits aumenta a capacidade do simulador quântico exponencialmente. Por exemplo, com um simulador quântico de 350 qubits será possível obter 10100 estados diferentes.

Para isso, pulsos de micro-ondas e raios laser são usados para fazer com que os qubits interajam entre si, de forma controlada e seletiva, imitando o comportamento de materiais de uma forma impossível de fazer em laboratório.

Embora os átomos do simulador sejam muito diferentes dos átomos de cada material estudado, os qubits são controlados de tal forma que o comportamento de ambos seja matematicamente idêntico.

Desta forma, os simuladores quânticos permitem que os cientistas variem parâmetros que não podem ser alterados em sólidos naturais, como o espaçamento ou a geometria da estrutura atômica, assim como os efeitos da inserção de átomos diferentes, os chamados dopantes, nessa estrutura.

Bibliografia:
Engineered two-dimensional Ising interactions in a trapped-ion quantum simulator with hundreds of spins
Joseph W. Britton, Brian C. Sawyer, Adam C. Keith, C.-C. Joseph Wang, James K. Freericks, Hermann Uys, Michael J. Biercuk, John J. Bollinger
Nature
Vol.: 484, 489-492
DOI: 10.1038/nature10981

Elétron divide-se em duas quase-partículas

Redação do Site Inovação Tecnológica – 20/04/2012

Elétron divide-se em duas novas partículas: spinon e orbiton

Concepção artística da divisão do elétron em duas novas partículas: um spinon, que nada mais é do que o spin do elétron original, e um orbiton, seu momento orbital.[Imagem: David Hilf/PSI]

Decaimento do elétron

Cientistas observaram pela primeira vez o terceiro elemento constituinte de um elétron.

Um elétron se comporta como uma onda e, quando recebe uma carga extra de energia, essa onda pode se dividir – isso significa que o elétron estará se decompondo em partes separadas.

Cada uma dessas “partes” carrega uma propriedade do elétron, constituindo o que os físicos chamam de quase-partícula – como o recém-descoberto férmion de Majorana.

Esta é a primeira vez que os momentos fundamentais do elétron, de rotação e orbital, foram observados separados um do outro.

Mas não é a primeira vez que o outrora “fundamental” elétron foi dividido: ele já foi separado em seus elementos spin e carga, neste caso gerando um spinon e um holon.

Agora foi observada a terceira partícula, o orbiton, o momento orbital, que se origina do movimento do elétron em torno do núcleo.

Estas partículas, no entanto, não conseguem deixar o material onde foram produzidas.

Spinon e orbiton

Todos os elétrons têm uma propriedade chamada “spin”, que pode ser vista como pequenos ímãs, em escala atômica o que dá origem ao magnetismo dos materiais.

O spin vem sendo explorado tecnologicamente, tanto na computação quântica quanto na spintrônica.

Além de girar, os elétrons orbitam em torno de núcleos atômicos, ao longo de caminhos determinados, os assim chamados orbitais eletrônicos.

Geralmente essas duas propriedades da física quântica (spin e orbital) estão “ligadas” a cada elétron em particular.

Contudo, em um experimento realizado no Instituto Paul Scherrer, na Alemanha, as duas propriedades foram separadas.

Elétron divide-se em duas novas partículas: spinon e orbiton

O desmembramento do elétron em duas quase-partículas foi detectado em um composto de óxido de cobre (Sr2CuO3). [Imagem: Schlappa et al./Nature]

Não tão elementar

O desmembramento do elétron em duas quase-partículas foi detectado em um composto de óxido de cobre (Sr2CuO3).

Esse material tem a característica inusitada de que as partículas em seu interior são obrigadas a se mover apenas em uma direção, para frente ou para trás.

Usando raios X, os físicos forçaram alguns dos elétrons pertencentes aos átomos de cobre no Sr2CuO3 a passarem para orbitais de energia mais elevada, o que corresponde a um elétron se movimentando em torno do núcleo com maior velocidade.

Após esta estimulação com raios X, os elétrons dividiram-se em duas partes.

Uma das novas partículas criadas, o spinon, carrega a rotação do elétron, e a outra, o orbiton, a energia orbital ampliada pela estimulação com raios X.

Supercondutores

“Já se sabia há algum tempo que, em materiais específicos, um elétron pode, em princípio, se dividir,” comentou Jeroen van den Brink, um dos autores do experimento. “Mas até hoje não havia evidência empírica para essa separação em spinons e orbitons independentes. Agora que sabemos exatamente onde procurá-los, poderemos encontrar essas novas partículas em muitos outros materiais.”

A observação da divisão do elétron poderá ter implicações importantes no campo da supercondutividade de alta temperatura.

Devido a semelhanças entre o comportamento dos elétrons no Sr2CuO3 e nos supercondutores à base de cobre, entendendo como os elétrons decaem em outros tipos de partículas neste material pode ajudar a compreender também os supercondutores.

Bibliografia:
Spin-Orbital Separation in the quasi 1D Mott-insulator Sr2CuO3
J. Schlappa, K. Wohlfeld, K. J. Zhou, M. Mourigal, M. W. Haverkort, V. N. Strocov, L. Hozoi, C. Monney, S. Nishimoto, S. Singh, A. Revcolevschi, J.-S. Caux, L. Patthey, H. M. Ronnow, J. van den Brink, T. Schmitt
Nature
Vol.: Advance Online Publication
DOI: 10.1038/nature10974

Nanopartículas de cobre convertem CO2 em combustível

Redação do Site Inovação Tecnológica – 18/04/2012

Nanopartículas de cobre convertem CO2 em combustível

Nanopartículas de ouro (vermelho claro) combinadas com nanopartículas de cobre (verde claro) formam nanopartículas híbridas (vermelho escuro), que foram transformadas em pó (primeiro plano) para catalisar a redução de dióxido de carbono.[Imagem: MIT]

Caprichos do cobre

O cobre é um dos poucos metais capazes de transformar o dióxido de carbono em hidrocarbonetos – o petróleo, o carvão e o gás natural são hidrocarbonetos – com relativamente pouca energia.

Quando recebe uma tensão elétrica, um eletrodo de cobre atua como um catalisador muito forte, desencadeando uma reação eletroquímica com o dióxido de carbono, que reduz o gás de efeito estufa para metano ou metanol.

Mas o cobre é temperamental: ele se oxida facilmente.

Como resultado, o metal é instável, o que pode reduzir significativamente a sua reação com o dióxido de carbono em pouco tempo.

Além da perda de eficiência, o processo passa a produzir subprodutos indesejáveis, como monóxido de carbono e ácido fórmico.

Boa companhia

Agora, pesquisadores do MIT encontraram uma solução que, além de tornar o metal mais estável, pode reduzir ainda mais a energia necessária para que o cobre converta dióxido de carbono em combustíveis.

Kimberly Hamad-Schifferli e seus colegas sintetizaram nanopartículas de cobre misturadas com ouro, que é resistente à corrosão e à oxidação.

Os pesquisadores observaram que apenas um leve toque de ouro faz o cobre se tornar muito mais estável.

Se o uso do ouro impressiona pelo seu alto custo, é bom lembrar que os catalisadores mais comumente utilizados são feitos à base dos muito mais caros platina e ródio.

A equipe demonstrou a eficácia de nanopartículas compostas por um terço de ouro e dois terços de cobre, ou dois terços de ouro e um terço de cobre.

CO2 vira combustível

Nos experimentos, os eletrodos revestidos com as nanopartículas híbridas cobre-ouro precisaram de menos energia para reagir com o dióxido de carbono, em comparação com as nanopartículas de cobre puro.

“Você normalmente precisa colocar um bocado de energia para converter dióxido de carbono em algo útil,” comentou Hamad-Schifferli. “Nós demonstramos que as nanopartículas híbridas de cobre-ouro são muito mais estáveis, e têm o potencial para reduzir a energia necessária para a reação.”

Reciclagem do CO2

Vários pesquisadores ao redor do mundo têm estudado o potencial do cobre como um meio energeticamente eficiente de reciclagem do dióxido de carbono – uma espécie de combustão reversa – em fábricas e termoelétricas.

Em vez de ser liberado para a atmosfera, o dióxido de carbono seria forçado a circular através de um catalisador de cobre e transformado em metano – que poderia então alimentar as próprias turbinas de geração de energia ou outros processos na fábrica.

Esse sistema de auto-energização poderia reduzir consideravelmente as emissões de gases de efeito estufa, sobretudo pelas geradoras a carvão e gás natural.

Bibliografia:
Compositional dependence of the stability of AuCu alloy nanoparticles
Z. Xu, E. Lai, Y. Shao-Horn, K. Hamad-Schifferli
Chemical Communications
Vol.: Just submitted

 

Criado primeiro link de comunicação quântica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 14/04/2012

Criado primeiro link de comunicação quântica

Átomos formam os nós de uma rede quântica na qual a informação é transmitida por fótons individuais através de cabos de fibra óptica. [Imagem: Andreas Neuzner/MPQ]

Rede quântica

Cientistas alemães demonstraram na prática o primeiro link de comunicação quântica de “longa distância”.

Embora a rede demonstrada seja primária, com apenas dois nós, o experimento demonstra que a tecnologia atual já é capaz de viabilizar comunicações quânticas usando os tradicionais cabos de fibras ópticas.

Redes quânticas podem ser usadas não apenas para a transmissão de dados em altíssima velocidade, com uma largura de banda impensável para os padrões atuais, como também pode fazer isso com uma segurança quase absoluta.

E elas também podem ter usos mais fundamentais, como na criação de simuladores quânticos para estudar fenômenos físicos de qualquer natureza.

Stephan Ritter e seus colegas do Instituto Max Planck construíram uma rede que acopla dois átomos individuais, que representam dois nós de uma rede.

Teoricamente, a rede pode crescer à vontade, apenas acrescentando novos átomos como nós adicionais.

Nó atômico

Um átomo individual é a menor memória possível para a informação quântica, e os fótons individuais são os melhores mensageiros para trocar essas informações entre os átomos.

Contudo, a transferência eficiente da informação entre um átomo e um fóton exige uma forte interação entre os dois, o que não se pode obter com átomos no espaço livre.

Para funcionar como nós de uma rede quântica, os átomos são aprisionados em cavidades ópticas – dois espelhos altamente reflexivos, colocados a uma curta distância um do outro.

Quando um fóton entra nessa cavidade, ele é refletido pelo espelho milhares de vezes, o que garante seu acoplamento com o átomo-memória.

Criado primeiro link de comunicação quântica

A troca de informações entre um átomo e um fóton baseou-se em feitos anteriores da mesma equipe, que construiu uma memória atômica e depois criou um transístor quântico com transparência induzida por luz. [Imagem: Gerhard Rempe]

Comunicação quântica

Foram vários desafios para demonstrar o funcionamento da rede quântica: primeiro, o átomo tinha que ser mantido dentro da cavidade óptica pelo tempo suficiente, o que foi realizado com a ajuda de feixes de laser precisamente ajustados.

Em segundo lugar, foi preciso garantir que o átomo emitisse apenas um fóton de cada vez.

Depois, foi preciso provar que o sistema funciona como uma interface perfeita para armazenar a informação codificada em um único fóton.

Finalmente, foi necessário conectar dois desses nós de rede quântica, trocar informações usando cada fóton individual, aferir que a informação estava chegando com alta eficiência e, mais importante, que a informação estava chegando corretamente.

Tudo isto foi demonstrado em um experimento onde cada nó da rede quântica ficou em um laboratório vizinho do outro, a 21 metros de distância, conectados por um cabo de fibra óptica de 60 metros de comprimento.

Como a rede quântica funciona

Redes quânticas apresentam propriedades peculiares, não encontradas nas redes clássicas.

Isto se deve ao comportamento fundamentalmente diferente da informação que é trocada: enquanto um bit clássico representa 1 ou 0, um bit quântico pode assumir os dois valores ao mesmo tempo, um fenômeno chamado “superposição coerente”. Uma medição, no entanto, faz o qubit colapsar para um dos dois valores.

No átomo-memória, a informação quântica é codificada em uma superposição coerente de dois níveis de energia.

Quando o átomo no nó A emite um fóton, estimulado por um pulso de luz de um laser de controle, o seu estado quântico é mapeado no estado de polarização do fóton.

Através da fibra óptica, o fóton atinge o nó B, onde ele é absorvido. Durante este processo, o estado quântico originalmente preparado no átomo A é transferido para o átomo no nó B.

Como resultado, A é capaz de receber o próximo fóton, enquanto B está pronto para enviar a informação armazenada de volta para o nó A ou para qualquer outro nó da rede.

Criado primeiro link de comunicação quântica

Diagrama esquemático do funcionamento do primeiro protótipo de uma rede quântica. [Imagem: Ritter et al./Nature]

É esta característica simétrica e reversível que torna o sistema escalável para configurações arbitrárias de rede, consistindo de múltiplos nós de átomos individuais.

“Nós conseguimos provar que estados quânticos podem ser transferidos muito melhor do que seria possível com qualquer rede clássica,” afirmou o Dr. Ritter.

Internet quântica e teletransporte

Em outro passo do experimento, os cientistas conseguiram gerar um entrelaçamento quântico entre os dois nós da rede.

O entrelaçamento, ou emaranhamento, é uma característica única para objetos quânticos, que os conecta de forma que suas propriedades ficam fortemente correlacionadas, não importando o quão longe eles sejam separados no espaço.

“Nós construímos o primeiro protótipo de uma rede quântica”, comemora Ritter. “Conseguimos fazer a troca reversível de informação quântica entre os nós. Além disso, podemos gerar o entrelaçamento remoto entre os dois nós e mantê-lo por cerca de 100 microssegundos, enquanto a geração do entrelaçamento leva apenas cerca de um microssegundo.”

Mostrando o potencial para a otimização da rede quântica, basta lembrar que, no final do ano passado, uma equipe da Dinamarca conseguiu preservar o entrelaçamento quântico por até uma hora:

O entrelaçamento de dois sistemas separados por uma distância grande é um fenômeno fascinante por si mesmo, mas também pode servir como um recurso para o teletransporte de informações quânticas.

“Um dia, isso pode não apenas tornar possível transmitir informações quânticas a distâncias muito grandes, mas também permitir uma internet inteiramente quântico,” prevê Ritter.

Bibliografia:
An elementary quantum network of single atoms in optical cavities
Stephan Ritter, Christian Nolleke, Carolin Hahn, Andreas Reiserer, Andreas Neuzner, Manuel Uphoff, Martin Mucke, Eden Figueroa, Joerg Bochmann, Gerhard Rempe
Nature
Vol.: 484, 195-200
DOI: 10.1038/nature11023

Energia solar transforma CO2 em combustível para carros

Redação do Site Inovação Tecnológica – 10/04/2012

Energia solar transforma CO2 em combustível para carros

Um sistema integrado eletro-microbiano produz combustível a partir do CO2 e da luz do Sol.[Imagem: UCLA]

Eletricidade para carros

Carros elétricos não são aviões, mas eles certamente já teriam decolado se a tecnologia das baterias não estivesse praticamente estacionada nos últimos anos.

Mas está tomando corpo uma ideia que parece estranha à primeira vista, mas que tem potencial não apenas para explorar a energia solar, como também para alimentar os carros a combustão atuais com um combustível que será, essencialmente, gerado por eletricidade.

A ideia consiste em armazenar a eletricidade em combustíveis líquidos, que poderão então ser queimados por motores a combustão normais.

Ou seja, os carros poderiam ser indiretamente alimentados por eletricidade, sem que precisassem ser convertidos em veículos elétricos.

E o alcance disso pode ser ainda maior, uma vez que a fonte para a produção desse combustível líquido é o dióxido de carbono, que todo o mundo gostaria de varrer para debaixo do tapete – ao menos a parte gerada pelo homem – para tentar evitar o aquecimento global.

Uma demonstração de que isto é tecnicamente possível foi realizada pela equipe do Dr. James Liao, da Universidade da Califórnia em Los Angeles (EUA).

CO2 vira combustível

Liao e seus colegas desenvolveram uma técnica que usa eletricidade para converter dióxido de carbono em isobutanol.

Se for usada energia solar, o processo essencialmente imita a fotossíntese, convertendo a luz do Sol em energia química.

A fotossíntese é um processo que ocorre em duas etapas – uma etapa com luz e uma etapa às escuras. A reação clara converte a energia da luz em energia química, enquanto a reação escura converte CO2 em açúcar.

“Nós conseguimos separar a reação com luz da reação escura e, em vez de usar a fotossíntese biológica, nós usamos painéis solares para converter a luz do Sol em eletricidade, depois em um intermediário químico, e então usamos esse intermediário para alimentar a fixação do dióxido de carbono para gerar o combustível,” explica Liao.

Segundo ele, seu esquema pode teoricamente ser mais eficiente, em termos da energia produzida, do que a fotossíntese natural.

Biorreator

Nem tudo é artificial nesse novo método. Os cientistas modificaram geneticamente um microrganismo litoautotrófico, conhecido como Ralstonia eutropha H16, para produzir isobutanol e 3-metil-1-butanol no interior de um biorreator.

O biorreator usa apenas dióxido de carbono como fonte de carbono, e apenas eletricidade como entrada externa de energia.

O desenvolvimento agora anunciado é um passo significativo em relação a uma pesquisa anterior divulgada pelo grupo, quando eles demonstrar o papel promissor das bactérias para a produção de um combustível alternativo.

Teoricamente, o hidrogênio produzido por energia solar pode ser usado na conversão do CO2 para sintetizar combustíveis líquidos com alta densidade de energia, também usando os microrganismos geneticamente modificados.

Mas as demonstrações em laboratório não têm conseguido passar para escalas maiores devido à baixa solubilidade, pequena taxa de transferência de massa e, sobretudo, pelas questões de segurança envolvendo o hidrogênio.

“Em vez de usar hidrogênio, nós usamos o ácido fórmico como intermediário. Nós usamos eletricidade para produzir ácido fórmico, e então usamos o ácido fórmico para induzir a fixação do CO2 nas bactérias, no escuro, para produzir isobutanol e alcoóis,” explica Liao.

“Nós demonstramos o princípio, e agora queremos aumentar sua escala. Este é o nosso próximo passo,” conclui o pesquisador.

Salve o CO2

Em 2010, outra equipe apresentou uma versão similar deste conceito, baseado em um óxido de terras raras:

Duas outras pesquisas recentes merecem destaque nessa busca de transformar o CO2 de rejeito indesejado em energia útil:

Bibliografia:
Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols
Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao
Science
Vol.: 335 no. 6076 p. 1596
DOI: 10.1126/science.1217643

Seguir

Obtenha todo post novo entregue na sua caixa de entrada.

Junte-se a 992 outros seguidores

%d blogueiros gostam disto: