1776: O tunelamento quântico é tão rápido que pode mesmo ser instantâneo

(dr) Griffith University

Entre as várias características da mecânica quântica encontramos o fenómeno conhecido como tunelamento quântico, em que uma partícula subatómica supera uma barreira que seria intransponível em outros tipos de física. Esse fenómeno é tão rápido que pode ser instantâneo.

Um objecto a passar por uma parede sólida é uma das analogias que os estudantes de física ouvem nas aulas para aprenderem como funciona este fenómeno da mecânica quântica. No entanto, o tempo que esse processo leva até ser concluído sempre foi um mistério.

Um estudo recente, publicado na revista científica Nature, estabeleceu um limite superior no tempo, tão curto que o processo poderia até ser instantâneo – e, nesse caso, as partículas excederiam a velocidade da luz.

O tunelamento acontece tão rápido que é muito difícil medir a sua duração. Para tentar desvendar esse mistério, investigadores usaram recentemente átomos mais pesados para realizar medições confiáveis e chegar, finalmente, a uma conclusão esclarecedora.

Igor Litvinyuk, da Universidade Griffith, na Austrália, explicou que a instalação australiana Attosecond Science Facility é o único lugar no mundo com os três tipos de equipamentos necessários para medir o tempo que os electrões demoram desde o encolhimento dos átomos de hidrogénio.

Após a experiência, o cientista reuniu dados para assegurar que o processo não demora mais do que 1,8 attosegundos – sendo que um attosegundo é 10-18.

“É difícil avaliar o quão curto este tempo é, mas é preciso um electrão de cerca de 100 attosegundos para orbitar um núcleo num átomo”, explicou o co-autor do artigo científico, Robert Sang.

O tempo de tunelamento estabelece um limite para a velocidade com que os transístores poderiam, teoricamente, mudar. Por outras palavras, ter um tempo tão curto torna os computadores ultra-rápidos mais realistas.

O valor de Litvinyuk e Sang é um tecto, e os cientistas estão abertos à possibilidade de o tunelamento ser instantâneo. Se assim for, o electrão estaria a viajar uma distância em tempo zero, excedendo a velocidade da luz. A equipa não põe de lado essa hipótese, uma vez que “isto é a física quântica” e o impossível pode mesmo acontecer.

Apesar de o trabalho de Litvinyuk não colocar grandes distorções à teoria da relatividade, este novo estudo pode ter muito para nos ensinar sobre física quântica.

ZAP //

Por ZAP
29 Março, 2019

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686: Os buracos negros podem ser dois wormholes que colidiram

 

Embora este tema já tivesse sido publicado AQUI, penso que este é mais completo, por isso a sua repetição.

(dr) The SXS (Simulating eXtreme Spacetimes) Project

Quando dois wormholes colidem, são criadas ondulações no espaço-tempo. Esses ecos gravitacionais poderiam ser detectados por instrumentos futuros, fornecendo evidências de que essa hipotética colisão através do espaço-tempo existe mesmo.

O Observatório de Ondas Gravitacionais por Interferómetro Laser (LIGO) detectou recentemente ondulações no espaço-tempo, chamadas de ondas gravitacionais, uma descoberta que valeu aos cientistas o Prémio Nobel da Física em 2017. Essas ondas são provenientes da fusão de buracos negros, acreditam os especialistas.

No entanto, embora essa detecção sustente a existência de buracos negros, esses objectos apresentam ainda muitos problemas teóricos. Um deles relaciona-se com o facto de parecerem inconsistentes com as leis da mecânica quântica.

Uma das principais características dos buracos negros é o seu horizonte de eventos, uma região do espaço-tempo além da qual nada pode escapar – nem mesmo a luz. Aliás, é por este motivo que se atirarmos algum objecto para um buraco negro, esse objecto desaparece.

Stephen Hawking descobriu que, graças ao tunelamento quântico, os buracos negros podem na verdade produzir um pouco de radiação, algo que ficou conhecido como “radiação Hawking“. Contudo, o que sai do buraco negro é completamente aleatório, isto é, não contém nenhuma pista sobre o que entrou nele anteriormente.

A mecânica quântica funciona de uma forma muito pragmática: se sabemos tudo sobre um sistema particular, devemos também ser capazes de descrever o seu passado e o seu futuro. Assim, um horizonte de eventos do qual nada sabemos não combina com a mecânica quântica.

Para resolver este paradoxo, alguns físicos sugeriram que os horizontes de eventos não existem. Em vez de abismos dos quais nada retorna, os buracos negros podem ser objectos especulativos que não têm horizontes de eventos, como as estrelas de bósons ou os wormholes.

Sai buraco negro, entra wormhole

No recente estudo, publicado na revista científica Physical Review D, físicos belgas e espanhóis levantaram a hipótese de que se dois wormholes colidissem, produziriam ondas gravitacionais muito semelhantes às que são geradas pela fusão de buracos negros.

A única diferença seria na última fase da fusão, chamada de ringdown, quando o buraco negro ou os wormholes recém-combinados relaxam no seu estado final. Como os wormholes não têm horizontes de eventos, as ondas gravitacionais poderiam ser recuperadas, produzindo um eco durante o ringdown.

“O interior do objecto é uma espécie de cavidade onde as ondas gravitacionais são reflectidas. A produção de ecos gravitacionais não é muito diferente de ecos sonoros num vale, por exemplo”, explicaram os investigadores ao Live Science.

O problema é que, como a força do sinal cai durante o ringdown, torna-se muito fraco para a configuração atual do LIGO conseguir detectar. No entanto, este panorama pode mudar no futuro, uma vez que os cientistas continuam a actualizar-se, ajustando o instrumento.

A verdade é que, actualmente, os wormholes são menos um facto científico e mais ficção científica. Aliás, eles são comummente descritos em filmes e livros como uma espécie de “estrada intergaláctica“.

No entanto, para que se possa atravessar os wormholes, precisaríamos de alguma matéria exótica desconhecida de forma a mantê-los abertos. Por esse motivo é que se mantêm hipotéticos, pelo menos para já. Além disso, as repercussões de uma detecção de ecos gravitacionais potencialmente provenientes de wormholes seriam dramáticas para a física.

Mas os cientistas mantêm a mente aberta e acreditam que vale a pena explorar essa possibilidade. “Está na altura de levar a sério a possibilidade de existirem outros objectos que podem ser tão maciços e compactos quanto os buracos negros”, afirma o físico português Vitor Cardoso, que já estudou wormholes.

ZAP // HypeScience

Por ZAP
24 Junho, 2018

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308: Tunelamento quântico permite gerar energia a partir de radiação desperdiçada

(CC0/PD) pxhere

Um grupo de investigadores da Universidade de Ciências e Tecnologia do Rei Abdullah, na Arábia Saudita, descobriu uma forma de transformar a energia desperdiçada que chega à Terra em forma de radiação infravermelha e calor em electricidade.

A inovação agora descoberta por investigadores da Arábia Saudita só é possível graças ao tunelamento quântico, um dos fenómenos mais estranhos da mecânica quântica. Os resultados foram publicados em Novembro na revista Materials Today Energy.

A chave para a ideia é uma antena especialmente projectada para detectar o desperdício ou o calor infravermelho como ondas electromagnéticas de alta frequência, transformando esses sinais de onda numa carga directa.

Há muita energia a chegar à Terra todos os dias, e não usamos grande parte dela. A maioria desse desperdício vem na forma de luz solar que atinge o planeta e é absorvida pelas superfícies, oceanos e pela atmosfera. Este aquecimento leva a um vazamento constante de radiação infravermelha que, estima-se, está na casa dos milhões de giga-watts a cada segundo.

O problema é que os comprimentos de onda infravermelhos são muito curtos. Para aproveitá-los, são necessárias antenas super pequenas. De acordo com a equipa internacional de investigadores responsável pelo novo estudo, a solução está no tunelamento quântico.

“Não há nenhum díodo comercial no mundo que possa operar em alta frequência. É por isso que nos viramos para o tunelamento quântico”, diz o investigador principal, Atif Shamim.

O tunelamento quântico é um fenómeno bem estabelecido na física quântica, no qual uma partícula pode atravessar uma barreira mesmo sem ter energia suficiente para o fazer.

Um dos exemplos usados ​​mais frequentemente é o de uma bola que desce uma colina: na física clássica, a bola precisa de uma certa quantidade de energia a impulsioná-la para subir a colina e chegar ao outro lado.

Na física quântica, no entanto, a bola pode atravessar a colina com menos energia, graças à incerteza do posicionamento, o coração de tudo que é quântico.

Esse “atalho” permite que os electrões sejam movidos por uma pequena barreira, através de um dispositivo de tunelamento como um díodo metal-isolador-metal (MIM), que transforma as ondas infravermelhas em corrente ao longo do caminho.

Os cientistas conseguiram criar uma nova nano-antena emparelhando um filme de isolamento fino entre dois braços metálicos ligeiramente sobrepostos feitos de ouro e titânio.

O aparelho foi capaz de gerar os campos eléctricos intensos necessários para o trabalho de tunelamento. “A parte mais desafiadora foi a sobreposição de nano-escala dos dois braços da antena, o que exigiu um alinhamento muito preciso”, diz Gaurav Jayaswal. “No entanto, ao combinar truques inteligentes com as ferramentas avançadas na instalação de nano-fabricação, realizamos esse passo”.

Ao escolher metais com diferentes funções, o novo díodo conseguiu capturar as ondas infravermelhas com zero tensão aplicada, uma função passiva que liga o dispositivo apenas quando necessário. Experiências com exposição ao infravermelho revelaram que a energia foi recolhida com sucesso apenas vinda da radiação, e não de efeitos térmicos.

Em comparação com os painéis solares, que só captam uma parte da luz visível, ser capaz de aproveitar todo o excesso de radiação infravermelha representaria uma mudança revolucionária na produção de energia. Além disso, ao contrário das usinas de energia solar, esses colectores de energia podem operar sem interrupções, independentemente do clima.

Apesar disso, este é apenas mais um passo no caminho para desenvolver esta tecnologia – outros cientistas estão a trabalhar noutros ângulos da questão. Os cientistas dizem que muitos desafios técnicos ainda estão pela frente – actualmente, a antena não é muito eficiente em termos de energia, por exemplo.

“Este é apenas o começo – uma prova de conceito”, diz Shamim. Eventualmente, porém, a técnica poderia fazer uma grande diferença. “Poderíamos ter milhões desses dispositivos ligados para aumentar a geração de electricidade”, acrescenta.

ZAP // HypeScience / Science Alert

Por ZAP
19 Fevereiro, 2018

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