Em 2025 a mecânica quântica completará 100 anos. Com a ideia de relembrar a história dessa verdadeira saga, que foi a construção da teoria, escrevemos um pequeno livro "Ecos longínquos de onda... de universos: História da física quântica", que acabou de ser publicado pela Editora Dialética. A física quântica se constitui num conjunto fabuloso de ideias e modelos matemáticos que moldaram o mundo a partir da sua descoberta. Como comentamos na apresentação da obra, pode-se considerar que toda a tecnologia moderna é teoria quântica aplicada. "Ecos longínquos..." mostra os esforços de dezenas de cientistas para construir essa estrutura teórica que, podemos dizer, sustenta o modo de vida da nossa civilização. Podemos nos comunicar com qualquer pessoa no planeta quase que instantaneamente, viajar com segurança utilizando os sofisticados sistemas de transportes, ter disponibilidade de energia e alimentos por meio de processos requintados, obter imagens diagnósticas para viver com mais saúde: tudo isso vem da física quântica. É relatada a história dos cientistas construtores da teoria quântica, pesquisadores que possuíam muita curiosidade, ambição, além de um conhecimento profundo da física. Alguns eram reservados, havia os que gostavam do confronto, os que publicavam rapidamente quando possuíam resultados que consideravam satisfatórios, os que publicavam apenas quando o assunto estivesse absolutamente entendido, os que trabalhavam durante o dia, os que eram boêmios e utilizavam as manhãs para os descansos, os que trabalhavam na madrugada. Uma história emocionante de trabalho árduo, engenhosidades, perseguições, fugas, insights e descobertas grandiosas: uma aventura da mente humana. O livro pode ser adquirido diretamente no site da editora Dialética.
Jangada Eletrônica
sexta-feira, 27 de dezembro de 2024
Cem anos de Física Quântica
quinta-feira, 11 de julho de 2024
César Lattes - 100 anos
Hoje é celebrado os 100 anos de nascimento de César Lattes, um dos maiores físicos brasileiros, que deu uma contribuição de primeira grandeza para a descoberta do méson pi. De fato, juntamente com Giuseppe Occhialini e Cecil Powell, da Universidade de Bristol, César Lattes determinou experimentalmente pela primeira vez a existência dessa partícula subatômica.
O méson foi proposto por Hideki Yukawa em 1935 como sendo a partícula portadora da força forte. Pela prvisão e pela descoberta, Yukawa e Powell receberam o Prêmio Nobel de Física (Lattes, que aperfeiçoara o sistema de detecção, que permitiu a descoberta, não foi agraciado). O méson pi (na verdade, são três espécies, o pi-zero, o pi-mais e o pi-menos) é composto por um quark e um anti-quark, ou seja uma das partículas (e sua anti-partícula) formadora do próton. Posteriormente, juntamente com o físico Eugene Gardner, Lattes também descobriu o méson pi oriundo de colisões artificiais produzidas em síncrotron.
César Lattes nasceu exatamente há cem anos, em Curitiba, vindo a falecer em Campinas, em 08 de março de 2005. Ele foi um dos principais responsável pela criação do CNPq, o Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico, órgão do Ministério da Ciência e Tecnologia responsável pelo financiamento de boa parte das pesquisas no Brasil. Por conta disso, o CNPq o homenageou denominando a sua plataforma de curricula como Plataforma Lattes, que congrega milhões de curricula de pesquisadores, professores, estudantes e cientistas de todas as áreas do conhecimento. Lattes também trabalhou no Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas e foi um dos fundadores do Instituto de Física Gleb Wataghin, onde aceitou um cargo de professor titular em 1967.
Assim, parabenizamos hoje, 11/07/2024, o físico César Lattes, figura de grande importância para o desenvolvimento da física no Brasil.
sexta-feira, 5 de julho de 2024
Estruturas metal-orgânico (MOFs)
Existe um tipo de material composto por substâncias orgânicas e inorgânicas que tem um grande potencial de aplicação em diversos ramos da tecnologia, como em LEDs, dispositivos optoeletrônicos, fotodetectores, armazenamento de gás, catálise, carregador de drogas, anodos de bateria de lítio, etc. Trata-se das estruturas metal-orgânica (MOF, em inglês, metal-organic framework), algumas das quais consistindo em cristais tridimensionais e outras, em estruturas bidimensionais, como as perovskitas de haleto-orgânico.
Adicionalmente, muitas estruturas metal-orgânicas apresentam a importante característica de serem multiferróicas, ou seja, materiais que apresentam ordem elétrica e magnética simultaneamente. Entre estes grupos destacam-se as esturturas construídas por octaedros MO6 conectados por grupos formatos, uma vez que esses grupos permitem a síntese de compostos com distâncias entre os íons magnéticos relativamente curtas, induzindo ordenamento a baixas temperaturas. Por exemplo, a ordem elétrica foi reportada para foratos dimelamônio-metal com fórmula [(CH3)2NH2][M(HCOO)3], onde o M representa algum dos seguintes íons: Co,Fe, Mg, Mn, Ni, Zn. Também já foram anunciadas propriedades ferroelétricas no formato [NH4][M(HCOO)3]; foi demonstrado que esse material apresenta ordenamento elétrico nas temperaturas entre 191 e 255 K. Adicionalmente, mostrou-se que o [NH4][Zn(HCOO)3] apresenta compressibilidade negativa. De grande interesse, também, é o fato de que variando-se a temperatura ou a pressão, alguns dos materiais sofrem transição de fase estrutural, ou seja, modificam a sua estrutura. O estudo das transições de fase, de uma maneira geral, é interessante porque ele mostra os mecanismos que permitem que uma determinada estrutura seja modificada. Esse tipo de estudo, na verdade, é uma importante área da física.
No caso específico do [NH4][Zn(HCOO)3], percebeu-se que a dinâmica rotacional dos íons NH4+ desempenhan um papel de primeira linha na mudança estrutural, embora um entendimento completo do fenômeno envolva outros aspectos. De fato, qunado uma estrutura cristalina apresenta ligações de hidrogênio, a substituição isotópica (substituição de hidrogênios por deutérios) pode desempenhar um importante papel na elucidação dos fenômenos físicos apresentados pelo material [1-3]. Com a ideia de estudar sistemas isotópicos para se entender os mecanismos de transições de fase etruturais, investigou-se o [NH4][Zn(HCOO)3] e o [ND4][Zn(DHCOO)3], onde o D representa um deutério (um átomo de hidrogênio com um próton e um nêutron no núcleo) [4] A investigação mostrou que o efeito da deuteração na transição de fase é pequeno, o que exclui o movimento dos prótons e deutério ao longo da ligação N-H...O (ou N-D...O) como a origem da transição de fase. Outra possibilidade, então, é que as mudanças ocorram como consequência dos cárions aminas nas cavidades da estrutura. Estudos com cátions metil-amônio [5] e outras substâncias orgânicas também foram realizados, mostrando aspectos físicos de relevância para torná-los materiais funcionais.
De interessa também são as estruturas bidimensionais que englobam uma série de materiais, em particular, as perovskitas em camadas (fases Aurivillius, Dion-Jacobson, Ruddlesden-Popper, etc). Essas estruturas cristalizam-se em camadas com a estrutura perovskita ABO3 separadas por camadas finas de materiais intrusivos. Alguns desses materiais apresentam propriedades ferroelétricas, ou seja, quando se constrói um gráfico da polarização do material em função do campo elétrico, observa-se uma curva de histerese. Tais materiais possuem a vantagem de serem ferroelétricos produzidos com baixo custo, com um fácil processo de síntese, com baixo peso - o que é importante para as aplicações - e com uma grande diversidade estrutural.
De fato, no que diz respeito às moléculas de inclusão, a diversidade é oriunda da grande quantidade de componentes orgânicos que pode ser utilizada, como aminas alifáticas, aminas aromáticas, entre outras. Essas moléculas orgânicas adotam um arranjo direcional polar, produzindo ordem ferroelétrica. Tal fato potencializa o uso em dispositivos optoeletrônicos.
Referências:
[1] J.M. de Souza, P.T.C. Freire, H.N. Bordallo et al., J. Phys. Chem. B 111, 5034 (2007).
[2] J.M. de Souza, P.T.C. Freire, D.N. Argyriou et al., ChemPhysChem 10, 3337 (2009).
[3] R.O. Gonçalves, P.T.C. Freire, H.N. Bordallo et al., J. Raman Spectrosc. 40, 958 (2009).
[4] M. Maczka, P. Kadlubanski, P.T.C. Freire et al., Inor. Chem. 53, 9615 (2014).
[5] A. Ciupa, M. Ptak, M. Maczka, J.G.S. Filho, P.T.C. Freire, J. Raman Spectrosc. 48, 972 (2017).
[6] M. Mączka, D.L.M. Vasconcelos, P.T.C. Freire, Spectr. Acta A 298, 122768 (2023).
quarta-feira, 13 de março de 2024
Evariste Galois
Uma equação algébrica de até quarto grau, ax4 + bx3 + cx2 + dx + e = 0 pode ser resolvida algebricamente. Isso significa que através de um número finito de operações de soma, subtração, multiplicação, divisão, potencialização inteira e radiciação aplicadas aos seus coeficientes, pode-se obter suas raízes. Para se chegar a esse conhecimento, muitos matemáticos deram importantes contribuições como, numa lista não exaustiva: Nicolò Fontana Tartaglia, Girolano Cardano, Ludovico Ferrari, François Viète, Friedrich Gauss, etc.
Embora em algumas situações particulares seja possível descobrir-se expressões para equações algébricas de quinta ordem ou superiores, de uma forma geral não existem soluções algébricas para equações desse tipo. Isso foi provado por dois matemáticos que tiveram vidas breves e mortes trágicas: Niels Henrik Abel (1802 - 1829) e Évarist Galois (1811 - 1832). Em outra postagem falaremos de Abel, autor da obra "Mémoire sur les équations albébriques au on démontre l'impossibilité de la resolution de l'equation général du cinquiènne dégré". Por enquanto ficaremos restrito a falar de Galois.
sábado, 9 de dezembro de 2023
Cometa Halley no afélio
Hoje, 09 de dezembro de 2023, o cometa Halley atingiu o afélio, ou seja, o ponto de sua trajetória mais distante do Sol. Isso significa que ele começou a retornar em direção a região mais interna do sistema solar. Como é bem conhecido, todos os corpos celestes, planetas, satélites naturais, cometas, movimentam-se em órbitas elípticas, tal como descoberto por Johannes Kepler há vários séculos. O último periélio do cometa Halley, o ponto mais próximo do Sol, pequeno período em torno do qual a cauda aparece, foi no ano de 1986 e o próximo ocorrerá em 2061. É interessante também observar da Figura 1 que a excentricidade da órbita do cometa é bastante grande.
terça-feira, 3 de outubro de 2023
Prêmio Nobel de Física 2023
Os três
ganhadores do Nobel de Física 2023 estão sendo reconhecidos por seus
experimentos, que deram à humanidade novas ferramentas para explorar o mundo
dos elétrons dentro dos átomos e moléculas. Pierre Agostini, Ferenc Krausz e
Anne L’Huillier demonstraram uma maneira de criar pulsos de luz extremamente
curtos que podem ser usados para medir os processos rápidos nos quais os
elétrons se movem ou mudam de energia.
Eventos em movimento rápido fluem uns para os outros quando percebidos pelos humanos, assim como um filme que consiste em imagens estáticas é percebido como um movimento contínuo. Se quisermos investigar eventos realmente breves, precisaremos de tecnologia especial. No mundo dos elétrons, as mudanças ocorrem em alguns décimos de attosegundo, ou 10⁻¹⁸ segundos. Um attosegundo é tão curto que há tantos em um segundo quantos segundos desde o nascimento do universo. As experiências dos laureados produziram pulsos de luz tão curtos que são medidos em attossegundos, demonstrando assim que esses pulsos podem ser usados para fornecer imagens de processos dentro de átomos e moléculas.
Em 1987, Anne L’Huillier descobriu que muitos overtones diferentes de luz surgiam quando ela transmitia luz laser infravermelha através de um gás nobre. Cada overtone é uma onda de luz com um determinado número de ciclos para cada ciclo da luz laser. Eles são causados pela interação da luz laser com os átomos do gás; dá a alguns elétrons energia extra que é então emitida como luz. Anne L’Huillier continuou a explorar este fenômeno, preparando o terreno para avanços subsequentes. Mais adiante, em 2001, Pierre Agostini conseguiu produzir e investigar uma série de pulsos de luz consecutivos, em que cada pulso durou apenas 250 attossegundos. Ao mesmo tempo, Ferenc Krausz trabalhava com outro tipo de experimento, que permitia isolar um único pulso de luz com duração de 650 attossegundos.
As contribuições dos laureados permitiram a investigação de processos que são tão rápidos que antes eram impossíveis de se observar. “Agora podemos abrir a porta para o mundo dos elétrons. A física do attosegundo nos dá a oportunidade de compreender os mecanismos que são governados por elétrons. O próximo passo será utilizá-los”, afirma Eva Olsson, presidente do Comitê do Nobel de Física. De fato, é possível que existam diversas aplicações potenciais em muitas áreas diferentes como na eletrônica e na biomedicina, por exemplo, como em diagnósticos médicos [1].
É interessante destacar que além desses três personagens que ganharam o Prêmio Nobel, um pesquisador da Bell Labs, nos Estados Unidos, também pesquisava o assunto na década de 80 e desempenhou um importante papel. Trata-se de Chuck Shank, que desenvolveu técnicas para se atingir os femtosegundos. Shank trabalhou com o chamado laser com CPM (colliding pulses modelocking) com o qual se conseguiu pulsos de 60 fs. Shank, juntamente com Roger Stolen e Ippen, descobriram que passando o laser em uma fibra óptica, a automodulação de fase criava novas frequências, que vinham atrasadas ou adiantadas no pulso. Essa frequência que varia no tempo é chamada de chirp. O pesquisador Wayne Knox através do uso de uma grade de difração conseguiu cancelar o chirp e como consequência obteve um pulso de 8 fs.
Nesse ponto, entram em cena dois professores brasileiros vinculados ao Instituto de Física da Unicamp. O primeiro foi o Prof. Carlos Henrique de Brito Cruz, que trabalhou no Bell Labs entre 1986 e 1987. Brito incorporou um prisma, além da grade de difração, e obteve um pulso de 6 fs. Esse foi o récorde de pulsos curtos por mais de uma década. Depois, em 1988, chegou ao Bell Labs o Prof. Carlos Lenz César, ali permanecendo até 1990. Nesse período o Prof. Lenz conseguiu o pulso mais curto no infravermelho, cerca de 120 fs, utilizando para isso um laser de Centro de Cor [2].
Em 1992 descobriram que o laser de titânio-safira gerava pulsos de femtosegundos e era sintonizável. O Ferenc Krausz, de Viena, então colocou correção de chirp dentro da cavidade do laser de titânio-safira e conseguiu diretamente do laser, sem a necessidade de compressão de pulsos, corrigir o chirp e atingir pulsos de 10 fs. Daí chegou-se ao attomsegundos e o resto faz parte da história.
Notas:
[1] https://www.nobelprize.org/prizes/physics/2023/press-release/
[2] Depoimento do Prof. Carlos Lenz Cesar, Professor Titular no Departamento de Física da Universidade Federal do Ceará.
sábado, 30 de setembro de 2023
Insetos do passado
Uma lagerstätte é uma região na qual os fósseis apresentam
um excelente grau de preservação. Muitos estudos melhoraram nossa compreensão
do modo de preservação de fósseis do Lagerstätte Crato. O
alto grau de preservação dos insetos mineralizados da Formação Crato,
localizado na Chapada do Araripe e com idade da ordem de 100 milhões de ano, no
sul do Estado do Ceará, é originado da difusão de íons através das carcaças e
do envolvimento por bactérias que, por sua vez, criou condições microambientais
que levaram à mineralização, principalmente à piritização. Insetos piritizados
foram oxidados por intemperismo in situ em
óxidos/hidroximinerais mais estáveis durante o Quaternário. O intemperismo intenso
pode diminuir ou obscurecer a fidelidade morfológica, e pouca atenção tem sido
dada aos processos pós-diagenéticos experimentados por esses fósseis. Com o
objetivo de se preencher essa lacuna, tentou-se no trabalho da Ref. [1] - que consistiu numa parceria entre pesquisadores* do Ceará, Piauí e Paraná - determinar o grau de alteração sofrida por insetos que sofreram o processo de
piritização na Formação Crato utilizando várias técnicas analíticas utilizadas
na física e na ciência de materiais: microscopia eletrônica de varredura,
espectroscopia de raios X por energia dispersiva,
espectroscopia de infravermelho por transformada de Fourier e espectroscopia
Raman. Os resultados desse trabalho mostram que insetos bem preservados são
preferencialmente substituídos por hematita e fósseis mal preservados são
substituído por goethita. Além disso, registrou-se três tipos de alteração
pós-diagenética: insetos com crescimento excessivo de óxido de ferro; insetos
associados a revestimentos pretos, às vezes com a formação de dendritos; e
insetos preservados como uma impressão, onde restou apenas o contorno dos seus
corpos. Todas essas alterações têm o potencial de distorcer ou manchar a
informação paleontológica. Ainda no trabalho da Ref. [1], mediu-se os efeitos
das alterações telodiagenéticas em macro e micro escalas. Portanto, trata-se de
uma abordagem tafonômica com ampla aplicabilidade onde quer que sejam
encontrados depósitos contendo insetos mineralizados.