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Interessante artigo publica pela Revista Eletrônica Inovação
Tecnológica de 15/12/2015
Física indecifrável
Um problema matemático que está na base de
questões fundamentais da física - da física quântica
e da física de partículas - é comprovadamente
insolúvel.
Este que é o primeiro grande problema na física
para o qual uma limitação tão fundamental foi
comprovada foi identificado por Toby Cubitt
(Universidade College de Londres), David Perez-
Garcia (Universidade Complutense de Madri) e
Michael Wolf (Universidade Técnica de Munique).
Um material com intervalo espectral (esquerda) tem um único estado fundamental no limite termodinâmico. Um material sem intervalo espectral (direita) tem um espectro contínuo a partir do estado fundamental. [Imagem: Cubitt/Perez-Garcia/Wolf]
A importância da descoberta pode ser vista no fato
de que ela demonstra que, mesmo de posse de uma
descrição perfeita e completa das propriedades
microscópicas - ou quânticas - de um material, isto
não é suficiente para prever o seu comportamento
macroscópico.
Intervalo espectral
Veja, por exemplo, o caso dos semicondutores, que
estão na base de toda a tecnologia atual. Esses
materiais, e vários outros, possuem um pequeno
"intervalo espectral" - a energia necessária para
transferir um elétron de um estado de baixa energia
para um estado excitado, de energia mais alta.
Quando esta energia se torna muito pequena, o
intervalo espectral se fecha, tornando possível para
o material fazer uma transição para um estado
completamente diferente - tornar-se
um supercondutor, por exemplo.
Conhecer os detalhes microscópicos de um material
e extrapolar matematicamente essas propriedades e
comportamentos para o material em escala humana
- em outras palavras, passar da física quântica para
a física clássica - é considerado um dos
instrumentos mais importantes na busca por novos
materiais, incluindo algum que exiba a
supercondutividade a temperatura ambiente ou que
tenha qualquer outra propriedade desejável ou útil.
O trio demonstrou que esta abordagem tem uma
limitação crucial, um beco sem saída.
Problemas indecidíveis
O trabalho prova matematicamente que, mesmo
com uma descrição completa de um material em
escala atômica ou molecular, determinar se ele
possui um intervalo espectral ou não é, de fato, uma
"questão indecidível".
"Alan Turing é famoso por seu papel na quebra do
código Enigma. Mas, entre os matemáticos e
cientistas da computação, ele é ainda mais famoso
por provar que certas questões matemáticas são
'indecidíveis'. Elas não são nem verdadeiras e nem
falsas, só estão fora do alcance da matemática.
"O que nós mostramos é que a diferença espectral é
um desses problemas indecidíveis. Isso significa
que não pode existir um método geral para
determinar se a matéria descrita pela mecânica
quântica terá um intervalo espectral ou não. Isto
limita a extensão na qual podemos prever o
comportamento dos materiais quânticos e,
potencialmente mesmo da física de partículas mais
fundamental," explicou o professor Toby Cubitt.
O trabalho mostra que é matematicamente impossível sair dos componentes básicos da matéria e derivar seu comportamento macroscópico. [Imagem: Cubitt/Perez-Garcia/Wolf]
"Nós sabíamos da possibilidade de problemas que
são indecidíveis em princípio desde os trabalhos de
Turing e Godel na década de 1930. Até agora,
porém, isso somente afetava os cantos muito
abstratos da ciência da computação teórica e da
lógica matemática. Ninguém antes tinha
contemplado seriamente isto como uma
possibilidade diretamente no coração da física
teórica.
"Mas nossos resultados mudam esse quadro. De
uma perspectiva mais filosófica, eles também
desafiam os pontos de vista reducionistas, já que a
dificuldade intransponível reside precisamente na
derivação das propriedades macroscópicas partindo
de uma descrição microscópica," acrescentou o
professor Michael Wolf.
Nova Física
"Mas nem tudo são más notícias," acode rapidamente o
terceiro membro do grupo, professor David Perez-Garcia.
"A razão pela qual este problema é impossível de resolver
em geral é porque os modelos neste nível
apresentam comportamentos extremamente bizarros que
essencialmente desafiam qualquer tentativa de analisá-los.
"Mas esse comportamento bizarro também prevê uma
física nova e muito estranha que não tinha sido vista antes.
Por exemplo, os nossos resultados mostram que a adição
de até mesmo uma única partícula a um pedaço de
matéria grande poderia, em princípio, mudar
dramaticamente suas propriedades. Novas físicas como
esta são frequentemente exploradas em tecnologia,"
completou Perez-Garcia.
De fato, a dopagem - a adição de poucos átomos a um
material para alterar suas propriedades - é parte essencial
da eletrônica.
Os pesquisadores estão agora justamente verificando se
sua descoberta vai além dos modelos matemáticos
artificiais produzidos pelos seus cálculos, e atingem
materiais mais realistas que possam ser testados em
laboratório.
Assunto correlato:
Material bizarro abre fronteiras na spintrônica e na computação quântica
Site Inovação Tecnológica - 02/02/2010
Uma substância bizarra, que acaba de ser s
intetizada
por cientistas da Universidade de Stanford, nos
Estados Unidos, comporta-se tão estranhamente
quanto previram seus idealizadores, quando ela era
ainda apenas uma simulação na tela do computador.
O material é um isolante em sua parte sólida, mas
conduz eletricidade incrivelmente bem em sua
superfície, abrindo caminho para a simplificação e a
miniaturização de diversos dispositivos eletrônicos,
assim como fornecendo uma nova ferramenta para
experimentos ligados à computação quântica.
O material é um isolante em sua parte sólida, mas conduz eletricidade incrivelmente bem em sua superfície.[Imagem: Hailin Peng]
Spintrônica e computação quântica
"As propriedades da corrente elétrica são muito difíceis de
se estudar em uma amostra sólida desses isolantes
topológicos," afirma o Dr. Zhi-Xun Shen, um dos criadores
do novo material. "Nós conseguimos estudar suas
propriedades superficiais inéditas fazendo pequenas
nanofitas."
Os elétrons fluem incrivelmente bem sobre a superfície
das nanofitas, agindo como se não tivessem massa, e com
um spin definido - pelo menos quando as fitas estão
imersas em hélio líquido. Em princípio, estas propriedades
poderão ser estendidas até a temperatura ambiente,
segundo os pesquisadores.
O material, construído à base de seleneto de bismuto,
pode dar um verdadeiro impulso ao campo da spintrônica,
uma tecnologia emergente que utiliza os elétrons para
armazenar informações - com aplicações em computação
ultra miniaturizada e em computação quântica.
Nanofitas
Para criar as nanofitas, os pesquisadores usaram uma
técnica bem conhecida, chamada síntese vapor-líquido-
sólido.
O vapor de seleneto de bismuto reage, sob baixa pressão
e calor, com nanopartículas de ouro especialmente
preparadas para formar pequenas gotas líquidas. Uma vez
saturado o ambiente, começam a surgir fitas sólidas de
seleneto bismuto, cada uma ligada a uma partícula de
ouro. O diâmetro das partículas de ouro determina a
espessura das nanofitas.
A fabricação de nanofitas cada vez mais finas, até que eles
sejam praticamente só superfície, pode ser a chave para
se observar seus estranhos comportamentos a
temperatura ambiente.
Os cientistas já são capazes de fazer nanofitas com
apenas 10 átomos de espessura - 25 vezes mais finas do
que quando eles submeteram o primeiro artigo de sua
descoberta para publicação.
Bizarrices
"Nós estamos numa espécie de exploração científica
preliminar neste momento", afirma Keji Lai, outro membro
da equipe. "No início das pesquisas com semicondutores,
as pessoas gastaram muito tempo apenas compreendendo
sua ciência fundamental. Uma vez estabelecidas as
propriedades físicas desses materiais, os engenheiros
puderam usá-los para construir estruturas complexas,
trazendo-os para o nosso dia a dia."
Embora ainda não tenham terminado suas novas
experiências, os modelos teóricos indicam que, na
espessura de 10 átomos, os elétrons que circulam em
cima e em baixo da nanofita poderão se cruzar. Mas, para
se ter uma ideia concreta das novas "bizarrices" que isso
poderá gerar, será necessário esperar o próximo artigo
científico da equipe.
Bibliografia:
Aharonov-Bohm interference in topological insulator nanoribbons
Hailin Peng, Keji Lai, Desheng Kong, Stefan Meister, Yulin Chen, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Zhi-Xun Shen, Yi Cui
Nature Materials
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1038/nmat2609
Aharonov-Bohm interference in topological insulator nanoribbons
Hailin Peng, Keji Lai, Desheng Kong, Stefan Meister, Yulin Chen, Xiao-Liang Qi, Shou-Cheng Zhang, Zhi-Xun Shen, Yi Cui
Nature Materials
Vol.: Published online before print
DOI: 10.1038/nmat2609
Fontes:
J.A.
