sexta-feira, 15 de dezembro de 2017

Conheça o excitonium, novo estado da matéria finalmente comprovado


Ilustração das quasipartículas excitons movendo-se coletivamente em um material semicondutor.



O que é excitonium?

Na década de 1960, o físico Bertrand Halperin cunhou o termo "excitonium" - ou excitônio - para descrever um estado exótico da matéria, no qual as cargas positivas e negativas se emparelham sem se anular. Desde então, vários experimentos demonstraram evidências de sua existência e abriram caminho para seu uso prático. Mas nenhuma dessas demonstrações fora considerada definitiva até agora, porque elas deixavam em aberto possibilidades de outras explicações.

Nesta semana, duas equipes estão reportando resultados que trazem o excitonium definitivamente para os livros de física, sem mais ressalvas.

Excitons

Você não vai encontrar um pedaço de excitonium por aí e ele nem poderá ser minerado. O excitonium é um condensado, um sólido, mas que surge como propriedade de algum material. Esse "estado da matéria" emerge quando, no material base, formam-se quasipartículas chamadas excitons.

Os excitons são compostos por um par improvável: um elétron, que ganha energia e se desloca pela faixa de condução do material, e a "lacuna" que ele deixa ao se deslocar - lembre-se que o elétron representa uma carga negativa e a lacuna que ele deixa representa a carga positiva. É aí que acontece o inusitado: o elétron e a lacuna se "emparelham", mas não se anulam - é a interação entre ambos que forma o exciton. E a movimentação dos excitons define o material como um excitonium.

"Isso é muito parecido com o processo que ocorre em um supercondutor, onde você tem elétrons atraídos um para o outro para formar pares que fluem sem resistência. No nosso caso, os elétrons emparelham com 'lacunas de elétrons' positivamente carregadas para criar um superfluido com uma carga líquida zero," explicou o professor Rui-Rui Du, da Universidade Rice, nos EUA.

A equipe da Universidade Rice comprovou a existência do excitônio usando duas camadas sobrepostas de semicondutores ultrapuros, o arseneto de índio e o antimoneto de gálio (InAs/GaSb). Já Anshul Kogar e colegas da Universidade de Illinois usaram disseleneto de titânio (1T-TiSe2), um metal de transição dicalcogeneto, uma classe de semicondutores que engloba a família da molibdenita.

Aplicações do excitônio

Apesar de ser uma demonstração importante para a física, várias equipes já vêm trabalhando com os excitons há vários anos, havendo inclusive uma expectativa de seu uso na computação quântica. Um experimento de 2008 mostrou que os excitons podem fazer uma ponte entre a computação eletrônica e a comunicação óptica. No ano seguinte, já se falava em um processador excitônico, comunicando-se diretamente por luz.

Desde então, os excitons têm sido associados com avanços em células solares, lasers de múltiplas cores, LEDs e vários outros.

quinta-feira, 14 de dezembro de 2017

Indução mútua de duas bobinas

A indução mútua de duas bobinas depende do coeficiente de acoplamento e da autoindução de cada bobina.



quinta-feira, 30 de novembro de 2017

Brasileiros explicam funcionamento de transístor quântico


O nanotransístor funciona com uma corrente elétrica constituída pela passagem de um único elétron por vez.


Nanotransistores

Transistores capazes de funcionar com uma corrente elétrica constituída pela passagem de um único elétron por vez estão no horizonte das pesquisas em curso na área de informática. Como passa um elétron de cada vez, o "zero" e o "um" binários são associados ao trânsito ou não do elétron.

Isso permite reduzir drasticamente o uso do espaço, acelerando a miniaturização, e o consumo de energia dos computadores. Em 2015, uma equipe do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (ETH) apresentou um nanocircuito totalmente funcional baseado nesse princípio da passagem de elétrons individuais.

O problema é que a equipe não conseguiu esclarecer todo o mecanismo de funcionamento do nanotransístor - a coisa funcionava, mas eles não entendiam exatamente como. Esse problema teórico agora foi resolvido por um grupo de pesquisadores da USP, Universidade Federal Fluminense, Universidade Federal de Uberlândia e Universidade de Ohio (EUA).

Transístor quântico

"Devido à escala muito pequena, a transmissão de elétrons de uma parte para outra [do nanotransístor] sofre efeitos quânticos. Isso significa, entre outras coisas, que os elétrons em trânsito apresentam tanto propriedades características de partículas quanto propriedades características de ondas," explica o professor Luis Gregório da Silva.

Circuitos com apenas um ponto quântico - região bem pequena, da ordem de algumas dezenas de nanômetros, em que os elétrons ficam confinados - têm sido estudados desde os anos 1990. Mas, neste novo componente, além do ponto quântico foi acoplada também uma cavidade, uma região um pouco maior, com uma borda curva que funciona como um anteparo, uma espécie de espelho. Os elétrons saem do ponto quântico e são rebatidos pela superfície curva da cavidade, sendo temporariamente aprisionados. Ocorre que, quando a cavidade está fracamente acoplada ao ponto quântico, há um pico no valor da condutância cada vez que passa um elétron. Quando a cavidade fica fortemente acoplada, os picos transformam-se em vales.

"A transição de picos para vales não estava sendo compreendida pelos pesquisadores na Suíça e foi esse o problema que nos propusemos a estudar e conseguimos resolver. Nossos cálculos teóricos para os dois regimes - acoplamento fraco e acoplamento forte - mostraram um comportamento qualitativo que corresponde exatamente àquele observado no experimento. Assim, oferecemos uma explicação bastante natural para o que o experimento detectou. "Devido à natureza quântica da energia, os níveis energéticos acessíveis aos elétrons não são contínuos, mas discretos. Com a variação do potencial eletrostático, é possível alinhar esses níveis com a energia do elétron que tenta atravessar o ponto quântico. Quando ocorre o alinhamento, é como se fosse aberta uma porta na parede repulsiva, constituída pelas cargas negativas, e o elétron tem grande probabilidade de passar," detalhou Luis.

É essa passagem do elétron que gera o pico na condutância. Depois da passagem, o valor da condutância volta a cair por efeito da barreira eletrostática, o chamado Bloqueio de Coulomb, em referência ao físico francês Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), pioneiro no estudo da eletrostática. "Como a energia é quantizada, a variação do potencial possibilita obter outros alinhamentos e abrir outras portas. Assim, o gráfico da variação da condutância em função da variação de potencial apresenta uma sucessão de picos separados por vales. Cada pico corresponde ao tunelamento de um elétron através da barreira," disse Dias da Silva.

Piscina de elétrons

A situação se complica quando é incluída a cavidade porque, além da abertura das portas, ocorre também o efeito de interferência, decorrente do comportamento ondulatório do elétron. Guardadas as devidas proporções, o fenômeno é semelhante ao que ocorre quando ondas mecânicas se propagam na superfície de uma piscina, onde a interferência entre as ondas que vão e as ondas que vêm gera efeitos de adição ou subtração - as ondas se reforçam ou se anulam.

"A onda do elétron rebatido pela superfície da cavidade interfere com a onda do elétron proveniente do ponto quântico rumo ao dreno. A interferência pode ser construtiva ou destrutiva. É a interferência destrutiva que produz os vales," disse o pesquisador. "A introdução da cavidade aumenta muito o número de possibilidades de transição da fonte para o dreno. O que fizemos foi uma extensão ou generalização da fórmula de Meir-Wingreen [fórmula para o cálculo da condutância elétrica em sistemas quânticos], de modo a contemplar a maior complexidade do fenômeno. Ao fazer essa generalização conseguimos explicar teoricamente os resultados experimentais obtidos pelo grupo da Suíça," detalhou Dias da Silva.

Aplicações práticas

É importante destacar que, embora o funcionamento do transístor seja todo fundamentado nos princípios da mecânica quântica, não se trata de computação quântica, mas de tirar proveito de efeitos quânticos no contexto de circuitos clássicos. O inconveniente é que todo o circuito funciona a temperaturas muito baixas, inferiores a 4 Kelvin, o que exige uma refrigeração com hélio líquido, o que é um obstáculo para o uso comercial desses nanotransistores.

Mas isso não impede que ele se insira nas áreas de fronteira da pesquisa industrial, com um horizonte de aplicação prática. "Os circuitos clássicos, com várias aplicações tecnológicas nos dispositivos de uso cotidiano, são bastante complicados. Mas as leis que permitem calcular a corrente em cada parte do circuito são bem conhecidas e fáceis de aplicar. No caso dos circuitos em que a mecânica quântica domina, ainda há muito que investigar para saber como as correntes se comportam. Existe o viés de aplicação na eletrônica, mas também existe muita física básica a ser aprendida," destacou Luis Gregório.


terça-feira, 21 de novembro de 2017

Reatância capacitiva

A reatância capacitiva é a oposição que apresenta um condensador a passagem da corrente alternada. Depende da capacidade do condensador e da frequência da corrente que lhe aplique.



Revistas estrangeiras

Recebi esses dias uma revista do Uruguai chamada Display para por no blog, essa revista só teve esses dois exemplares que estão na pasta.

Também aproveitei para atualizar o link da revista Ham Radio com a coleção quase completa dessa excelente revista voltada ao radioamadorismo.

domingo, 5 de novembro de 2017

Links e outros

Recebi alguns comentários sobre links quebrados recentemente, como estou organizando os arquivos alguns links ainda estão quebrados e estou arrumando aos poucos.
Para os leitores que deixaram os avisos eu peço que tente novamente que agora os links estão arrumados.

Também repostei uma pasta com diversos esquemas de ligação de alarmes, módulos de som, vidro e trava elétrica, catálogos entre outros, sobre carro, o link está junto com os links dos jornais.

terça-feira, 24 de outubro de 2017

Elétrons finalmente domados no grafeno abrem caminho para nanotransistores


Um eletrodo atomicamente fino funciona para os elétrons da mesma forma que uma lente interfere com os raios de luz.




Elétrons no grafeno

Um dos grandes trunfos do grafeno é a altíssima mobilidade dos elétrons através de sua malha hexagonal, o que lhe dá uma condutividade muito superior à dos metais. Mas essa vantagem traz suas próprias dificuldades: ocorre que, quando disparam pelo grafeno, os elétrons não param mais.

Desta forma, para fabricar um transístor de grafeno é necessário fazer buracos no material, que funcionam como barreiras para que os elétrons possam ser controlados. Mas isso traz seus próprios problemas de engenharia, já que é muito difícil fazer buracos precisos em um material monoatômico, inibindo seu uso em escala industrial.

A boa notícia é que, depois de muito trabalho, Yuhang Jiang e seus colegas da Universidade Rutgers, nos EUA, descobriram como domar os elétrons no grafeno, abrindo o caminho para o transporte ultrarrápido de energia em componentes nanoeletrônicos, virtualmente sem perdas de energia e dissipação na forma de calor.

Lente de elétrons

Os elétrons desvairados foram controlados aplicando uma tensão elétrica através da ponta finíssima de um microscópio de rastreamento, que é normalmente usado para fazer o mapeamento das superfícies dos materiais em 3D - onde a ponta toca o grafeno ela tem o diâmetro de um átomo. Esse arranjo experimental lembra um sistema óptico. A ponta do microscópio cria um campo de força que aprisiona os elétrons ou modifica suas trajetórias, de forma similar ao efeito que uma lente exerce sobre raios de luz. Os elétrons podem ser presos e liberados, oferecendo um meio de alta eficiência para ligar e desligar a corrente elétrica, o que é a base do funcionamento de um transístor.

"Você pode aprisionar elétrons sem fazer furos no grafeno. Se você mudar a tensão, você pode liberar os elétrons. Assim é possível capturá-los e liberá-los à vontade," disse a professora Eva Andrei, coordenadora da equipe. Embora a demonstração envolva equipamentos de laboratório cuidadosamente operados, agora será possível trabalhar para reproduzir o efeito a partir dos próprios componentes, eventualmente tornando possível fabricar nanotransistores de grafeno ultrarrápidos em escala industrial.