2745: Cientista encontra forma de criar um laser capaz de abrir um buraco no Universo

CIÊNCIA

A tecnologia de laser pode atingir patamares impressionantes. Cientistas estão a tentar perceber como atingir uma potência na ordem dos petawatts, à qual nada sobrevive.

A ideia descrita no artigo publicado este mês na revista académica Physical Review Letters é que pode usar um espelho feito de plasma, o material ultra-quente encontrado no Sol, para focalizar o raio. O plasma é considerado o quarto estado da matéria, e é obtido a partir do sobreaquecimento dos gases.

Um espelho de plasma ajudaria a elevar a potência do feixe de energia. Além da matéria, acredita-se que o próprio tecido do espaço e do tempo poderia ser fragmentado. E tudo o que precisamos para chegar lá é um simples espelho.

Actualmente, o laser mais poderoso do mundo produz entre cinco e dez petawatts, e há planos para chegar aos 100 petawatts num futuro próximo.

Só que todo este poder destrutivo não é tão acessível quanto isso. Na verdade, a energia que cada um desses feixes de laser consome é algo como 5-5000 J, durante um tempo muito curto de tempo — entre um picos-segundo e alguns femtos-segundos. No entanto, o fluxo de energia é imenso.

Toda essa energia do laser é focada de modo a obter uma intensidade um pouco acima daquela necessária para criar um plasma. Ao atingirem um valor um pouco maior, e se a luz atingir apenas um electrão, haverá energia suficiente para iniciar uma cascata de produção de electrões-positrões a partir do vácuo.

Se a intensidade do laser subir um pouco mais, nem mesmo esse electrão é necessário — a luz arrancará electrões virtuais do vácuo, gerando cargas a partir do aparente nada do espaço vazio.

Contudo, chegar a essa intensidade, acima do laser mais poderoso do mundo, é muito difícil, porque falta um material que possa sobreviver tempo suficiente para focalizar a luz do laser. É aí que os espelhos de plasma entram.

A ideia é simples: quando a luz atinge o plasma, os electrões são acelerados para frente e para trás, seguindo o campo eléctrico da luz. Com isso, os electrões absorvem e re-emitem a luz na direcção oposta. Por outras palavras, a luz reflecte no plasma, que por sua vez tem como vantagem o facto de já ser uma matéria tão destruída. Por isso, o raio laser não pode danificar o espelho.

Inicialmente, pensava-se que os espelhos de plasma não poderiam actuar como um bom elemento de foco, mas com a ajuda de um supercomputador, novos modelos criados pelos cientistas mostraram que um espelho de plasma pode ser o caminho certo a seguir.

O investigador Henri Vincenti, autor do novo estudo, aproveitou estes avanços computacionais para adaptar este código e criar novas maneiras de aumentar a intensidade de alguns laseres.

O modelo de Vincenti é algo menos complicado do que parece. Os detalhes técnicos são relativamente simples e exigem um pulso a laser de baixa potência em terawatt para criar o espelho e, em seguida, basta atingi-lo com toda a potência disponível alguns picos-segundos depois.

Isso é algo fácil para um laboratório de laser de alta potência. Resta agora esperar para ver se alguém está disposto a experimentar e então saberemos se, de facto, podemos fazer um buraco no espaço-tempo.

ZAP // Canaltech

Por ZAP
1 Outubro, 2019

 

932: Físicos combinaram lasers e espelhos para ouvirem a luz

CIÊNCIA

Jeff Keyzer/Wikimedia

A ideia de que a luz exerce força sobre a matéria não é nova, mas a natureza exacta de como a luz interage com a matéria permaneceu um mistério durante muitos anos… até hoje.

Os cientistas sabem há algum tempo que a luz tem impulso e a ideia de que a luz exerce força sobre a matéria não é nova. No entanto, como esse momento é muito rápido, nenhuma experiência conseguiu observar exactamente de que forma esse fenómeno afecta a matéria.

Em busca de novas respostas, um grupo internacional de cientistas centrou as suas atenções em espelhos num recente estudo, cujo artigo científico foi publicado este mês na Nature Communications.

“O espelho diz sempre a verdade”, escreveu Tomaž Požar, principal autor do estudo e professor assistente no departamento de engenharia mecânica da Universidade de Ljubljana, na Eslovénia, numa analogia lúdica referindo-se a “Branca de Neve e os Sete Anões”.

Não, a equipa de Požar não falou com o espelho, mas ouviu atentamente a forma como reagiu quando foi atingido por um raio de luz. Os cientistas colocaram sensores acústicos, que funcionam de forma semelhante a um um ultra-som médico, a um espelho equipado com um protector térmico.

Depois de prepararem devidamente todo o equipamento, a equipa lançou feixes de laser no espelho e, através dos sensores acústicos, conseguiram ouvir as ondas criadas quando a luz atingiu a superfície. “É como um martelo destruído pela luz”, descreveu Požar.

Estas ondas minúsculas causavam “sons” ou pequenos movimentos entre os átomos do espelho. O mais pequeno deslocamento encontrado foi de cerca de 40 femtómetros, ou seja, cerca de quatro vezes o tamanho do núcleo de um átomo.

Este novo método permitiu observar a forma como a força da luz é distribuída por todo o material. Apesar de experiências anteriores sustentarem que a luz move a matéria depositando o momento em diferentes ondas elásticas, agora há evidências experimentais de que isso acontece realmente.

Johannes Kepler, astrónomo e matemático alemão, foi o primeiro a propor, em 1619, que a pressão exercida pela luz do Sol poderia ser a responsável pelo desvio na cauda de um cometa. Mais tarde, em 1873, o físico escocês James Clerk Maxwell propôs que a pressão exercida pela radiação seria o resultado do momento intrínseco dos campos electromagnéticos da luz.

“Todos concordam com as equações de electromagnetismo de Maxwell” e com as leis que dizem que o momento e a energia são conservadas, afirmou Požar. Mas os cientistas têm as suas próprias opiniões sobre como a força da luz é distribuída pela matéria.

Um exemplo famoso é a controvérsia de Abraham-Minkowski, uma discussão entre o físico alemão Max Abraham e o matemático alemão Hermann Minkowski. Abraham sugeriu que o momentum de um fotão deveria estar inversamente relacionado com o “índice de refracção”, um número que descreve como é que a luz viaja através de um material. Já Minkowski sugeriu que deveriam estar directamente relacionados.

Embora este novo estudo não tenha determinado qual hipótese correta, os cientistas esperam ajustar e usar este procedimento experimental em líquidos e outros materiais para descobrir.

Por ZAP
29 Agosto, 2018

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579: NASA está prestes a criar o lugar mais frio do Universo

Aubrey Gemignani / NASA
O Cold Atom Laboratory (CAL) foi lançado no espaço na sonda Orbital ATK Cygnus

Os investigadores pretendem levar a cabo uma experiência que irá “congelar” átomos com lasers, criando assim o ponto mais frio do Universo.

Esta segunda-feira, a NASA enviou para o espaço uma nave repleta de equipamentos que irão auxiliar os astronautas da Estação Espacial Internacional (EEI) e os cientistas aqui na Terra a desenvolver novas investigações.

Mas há uma que se destaca: os investigadores pretendem fazer uma experiência que irá “congelar” átomos com lasers, criando assim o ponto mais frio do Universo. Este “super congelador” terá menos de um milésimo de milionésimo acima do zero absoluto, a temperatura mais baixa possível.

O Cold Atom Laboratory (CAL) é um instrumento compacto que usa lasers para gerar um ambiente super-refrigerado 10 mil milhões de vezes mais frio do que o vácuo do espaço. É tão frio dentro do CAL que os átomos são quase imóveis. O instrumento usa ímanes para segurar os átomos para que os cientistas possam observar os seus movimentos e como interagem uns com os outros.

Os investigadores já produziram instrumentos parecidos, mas enfrentaram sempre um desafio quase insuperável: a força da gravidade. Mesmo os átomos ultra-congelados acabaram por sucumbir à força da gravidade.

O CAL foi lançado no espaço na sonda Orbital ATK Cygnus, com destino à EEI. “No campo da física moderna, o novo Cold Atom Lab da Cygnus poderia ajudar a responder a algumas grandes questões”, refere um comunicado da Agência Espacial Americana.

“O CAL cria uma temperatura 10 mil milhões de vezes mais fria que o vácuo do espaço, então usa lasers e forças magnéticas para desacelerar os átomos até que estejam quase imóveis. No ambiente de micro-gravidade da EEI, o CAL pode observar estes átomos ultra-frios por muito mais tempo do que o possível na Terra” detalha.

Os resultados desta pesquisa podem levar a uma série de tecnologias aprimoradas, como sensores, computadores quânticos e relógios atómicos.

Frio, muito frio

O vácuo do espaço é muito frio: tem cerca de – 270,55 C. Mas as temperaturas dentro do CAL serão ainda mais baixas: quase zero absoluto, ou – 273,15 C.

A esta temperatura, os átomos diminuem tanto a sua velocidade que começam a entrar no mesmo estado quântico, exibindo a mesma quantidade de energia que os outros. O seu comportamento torna-se mais ondulado, e começam a sincronizar-se como se fossem uma fila de dançarinos, um fenómeno conhecido como Condensado de Bose-Einstein (BEC).

Na micro-gravidade da estação espacial, espera-se que os átomos retenham este estado da matéria durante 10 segundos, oferecendo aos investigadores a possibilidade de observar comportamentos quânticos nunca vistos antes.

O CAL é capaz de capturar três tipos de átomos para os cientistas estudarem: um rubídio e dois isótopos de potássio, arrefecendo-os e mantendo-os em armadilhas magnéticas para permitir a observação por parte dos cientistas que estão na Terra.

Quando o CAL for instalado na EEI, o trabalho dos astronautas estará feito, dado que será operado remotamente a partir da Terra. As experiências vão acontecer durante 6 horas e meia por dia enquanto a tripulação da EEI estiver a dormir, para minimizar a perturbação da micro-gravidade da estação espacial, segundo a NASA.

Se as temperaturas ficarem tão frias quanto o esperado, o CAL irá bater o recorde de lugar mais frio do universo. Actualmente, o título pertence à Nebulosa Boomerang, localizada a 5.000 anos-luz de distância, que vive a – 272 Cº.

ZAP // HypeScience

Por ZAP
24 Maio, 2018

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576: Lasers podem deixar computadores um milhão de vezes mais rápidos

(dr) Stephen Alvey / Michigan Engineering

Uma nova técnica promete fazer com que a computação seja até um milhão de vezes mais rápida do que é actualmente, através do uso do laser na propagação de informações.

Mil milhões de operações por segundo é bom, mas um bilião de operações por segundo é ainda melhor. Esta é a promessa de uma nova técnica que usa pulsos de luz laser como unidades fundamentais da computação, os bits.

Esta técnica pode alternar os estados “1” e “0” mil biliões de vezes por segundo, sendo cerca de um milhão de vezes mais rápida do que os bits nos computadores actuais.

O estudo foi liderado pelo professor de física Rupert Huber, da Universidade de Regensburg, na Alemanha, e contou com a colaboração de investigadores da Universidade de Marburg, na Alemanha, e da Universidade de Michigan, nos Estados Unidos.

Todas as tarefas desempenhadas por computadores convencionais são traduzidas numa colecção muito elaborada de operações de “1” ou “0”. Actualmente, um computador típico consegue usar bits de silício para realizar mais ou menos mil milhões dessas operações por segundo.

No entanto, no novo estudo, publicado na Nature, os investigadores pulsaram luz laser infravermelha em chips de tungsténio e selénio, permitindo que alternassem entre “1” e “0” como um processador normal de computador, só que um milhão de vezes mais rápido.

Mas como funciona? O segredo está na forma como os electrões se comportam nessa estrutura de tungsténio e selénio. Na maioria das moléculas, os electrões em órbita podem saltar para vários estados quânticos diferentes, chamados de “pseudospins”, quando são estimulados. Quando não são estimulados, os electrões ficam juntos à molécula.

A estrutura de selénio-tungsténio tem apenas dois “caminhos” em torno das quais os electrões estimulados podem percorrer. Com a orientação da luz infravermelha, o electrão salta para a primeira “pista”. Com uma orientação diferente, salta para a outra.

Os pulsos de luz adicionais podem também empurrar electrões de um lado para o outro entre duas pistas antes de terem oportunidade de voltar para um estado não estimulado. Estes “empurrões” são a própria computação que neste tipo de material pode acontecer muito mais rápido do que nos chips contemporâneos.

Os investigadores também levantaram a possibilidade de a estrutura de selénio-tungsténio ser usada para computação quântica à temperatura ambiente. No entanto, esta hipótese é teoricamente impossível, já que nesta estrutura os electrões não conseguem estar em ambas as trilhas simultaneamente – característica necessária para os cálculos de computação quântica.

A ideia de um computado quântico à temperatura ambiente é, portanto, hipotética. Além disso, as operações clássicas que a equipa realizou foram apenas uma demonstração do conceito, o que significa que a estrutura ainda não foi testada. Os cientistas precisam ainda de provar que o chip pode ser usado num computador.

Ainda assim, esta experiência pode abrir portas para uma computação convencional ultra rápida, e talvez para uma computação quântica eficiente.

ZAP // HypeScience / LiveScience

Por ZAP
23 Maio, 2018

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