Eletrônica - Mundo quântico funde-se apenas parcialmente

Nuvens de átomos ultrafrios (vermelho) foram criadas dentro de um chip quântico (em cima). Sua interferência cria um padrão ordenado de interferência matéria-onda (embaixo).[Imagem: Vienna University of Technology]

Equilíbrio termal
Coloque um cubo de gelo em uma vasilha de água quente e ele perderá a estabilidade, fundindo-se totalmente.
As moléculas do gelo e as moléculas da água vão atingir um equilíbrio termal, atingindo a mesma temperatura, e não será mais possível identificar umas e outras.
É assim que um cristal sólido bem ordenado acaba na forma de um líquido totalmente desordenado.
Big Bang e computadores quânticos
No mundo quântico, porém, essa transição para um equilíbrio termal é mais interessante e bem mais complicada do que os cientistas acreditavam até agora.
Entre o estado ordenado inicial e o estado amorfo final, emerge algo que está sendo chamado de "estado intermediário quase estacionário".
É uma espécie de pré-termalização, onde sinais muito claros dos estados iniciais perduram por um longo tempo.
Segundo Jorg Schmiedmayer e seus colegas da Universidade Tecnológica de Viena, na Áustria, isso pode ajudar a explicar vários processos fora de equilíbrio na física quântica, o que inclui o estado inicial do Universo, instantes após o Big Bang, e as perdas de dados nos computadores quânticos.
Equilíbrio termal quântico
Os pesquisadores dividiram em dois um condensado de Bose-Einstein, um aglomerado de átomos ultrafrios que se comporta como se fosse um único átomo gigante.
Mas as duas metades não caminharam para o equilíbrio termal como se esperava.
A análise mostrou que "as duas nuvens não se esqueceram de que vieram da mesma nuvem atômica," disse Schmiedmayer.
Em vez de decair rápida e homogeneamente rumo ao equilíbrio, as duas deram uma longa parada no agora descoberto estado intermediário, ou de pré-termalização.
Evitando perda de dados
A transição de sistemas para o equilíbrio termal é importante em muitos campos da física quântica, incluindo o emergente campo da computação quântica.
Um experimento nunca consegue atingir exatamente o zero absoluto, de forma que os cientistas estão sempre às voltas com efeitos de mudanças de temperatura.
Fazer cálculos usando qubits ou armazenar dados em memórias quânticas inevitavelmente cria estados de não-equilíbrio, o que destrói os dados.
O novo conhecimento adquirido com este experimento poderá ajudar a evitar essas perdas de dados.

Eletrônica - O século da fotônica

Pesquisador testa as propriedades fotônicas dos materiais produzidos pelo grupo da Unesp de Araraquara. [Imagem: Revista Unesp Ciência]

Do vidro à fotônica
No princípio era o vidro, com o qual foi (e continua sendo) possível fazer tantas coisas, entre elas uma tecnologia simples que permite que o sol entre em nossas casas, a janela.
Depois, quando o homem entendeu de verdade o que é a luz e aprendeu a domesticá-la, vieram o laser e a fibra óptica.
Agora é a vez das telas, grandes ou pequenas, que nos mostram imagens em alta definição ou respondem ao toque de nossos dedos.
Por trás desta linha do tempo tecnológica, descrita assim de modo tão incompleto, está uma das áreas mais vibrantes das ciências dos materiais e que atende por um nome esquisito para a maioria dos mortais - a fotônica.
"O século 20 foi dominado pela eletrônica. Agora substitua os elétrons correndo em circuitos e cabos condutores por fótons circulando através de condutores de luz", explica Sidney Ribeiro, pesquisador da Unesp. "O século 21 é da fotônica."
Propriedades luminosas
Os materiais fotônicos podem ser divididos basicamente em dois tipos: os que transmitem e os que emitem luz.
O exemplo clássico do primeiro grupo são as fibras ópticas tradicionais, feitas de sílica, que sustentam os sistemas de telecomunicação e de transmissão de TV.
Mas, com composição química um pouco diferente, elas são usadas também para iluminar os órgãos internos de um paciente durante uma cirurgia de laparoscopia ou para medir temperatura e pressão em poços de petróleo no fundo do mar e em outros ambientes hostis.
Já entre os emissores de luz destacam-se os vidros de última geração.
Um exemplo deles é o Gorilla Glass, que recobre os smartphones mais modernos. Fino, leve, sensível ao toque e extremamente resistente, foi lançado em 2006 pela empresa americana Corning, pressionada por Steve Jobs, da Apple, que queria um vidro à prova de riscos para a primeira versão do IPhone.
Este ano, a Corning anunciou uma parceria com a Samsung para desenvolver o Lotus Glass, que deverá ser mais resistente e exibir imagens ainda mais nítidas.

Os materiais fotônicos podem ser divididos entre os que transmitem e os que emitem luz. [Imagem: Revista Unesp Ciência]

Sol-gel
Em outra frente, os pesquisadores da fotônica trabalham com os chamados "materiais sol-gel", que também podem ser ótimos emissores de luz.
Eles diferem dos vidros principalmente pela forma como são fabricados.
"Usamos um método puramente químico, que chamamos de soft chemistry (química leve), por causa das baixas temperaturas, em contraste com os quase 2.000 oC necessários para fazer um vidro ou uma fibra óptica", explica o professor Sidney. "Usamos um líquido, que é feito de sílica, ao qual adicionamos algum elemento inorgânico, geralmente íons de terras raras, como itérbio ou európio."
A distância entre esses íons, que são conectados com polímeros orgânicos, é nanometricamente calculada para otimizar as propriedades ópticas do material resultante.
Dependendo do íon escolhido, a peça vai absorver luz de uma cor e emitir outra, de cor diferente. É possível, por exemplo, que se um laser azul incidir no material, esse por sua vez emita uma luz amarela. "Isso pode ser usado para fazer um laser de aplicação oftalmológica", afirma Edison Pecoraro, outro pesquisador do grupo da Unesp.
Em um laboratório sem janelas, com ar-condicionado na potência máxima, um monte de equipamentos e fios espalhados por todo lado, Pecoraro testa os materiais desenvolvidos pelo grupo. Quando as luzes são apagadas, o ambiente ganha ares de ficção científica.
É nesse lugar que se checa se as propriedades fotônicas do material correspondem ao que foi planejado. Às vezes não dá certo, claro. Em outras, "uma propriedade pode ser otimizada e dar origem a outro material", acrescenta Sidney.
Evento de fotônica
O grupo de fotônica do campus de Araraquara realizou na última semana um evento de nível internacional, trazendo ao Brasil os maiores especialistas da área em nível internacional.
Veja detalhes sobre o evento:

• Ciência avançada: Avanços científicos e tecnológicos em fotônica

Energia - Nanoflores capturam e armazenam energia

As nanoflores de sulfeto de germânio oferecem uma grande área superficial, podendo servir para geração ou armazenamento de energia.[Imagem: Linyou Cao/NCSU]

Flores de energia
Embora sejam as folhas as grandes responsáveis pela fotossíntese natural das plantas, a fotossíntese artificial está tentando a sorte com flores.
Pesquisadores da Universidade do Estado da Carolina do Norte criaram nanoflores que, segundo eles, representam a próxima geração de dispositivos de armazenamento de energia e células solares.
A grande vantagem da estrutura é que as "pétalas" da flor são muito finas. Com seu formato complexo, isso se traduz em uma enorme área superficial.
"Isso pode aumentar significativamente a capacidade das baterias de lítio, por exemplo, já que uma estrutura mais fina com maior área superficial poderá conter mais íons de lítio. Da mesma forma, esta estrutura em flor de GeS pode aumentar a capacidade dos supercapacitores, que também são utilizados para armazenamento de energia," disse o Dr. Linyou Cao, coordenador do trabalho.
Nanoflores
As nanoflores foram sintetizadas com um material semicondutor chamado sulfeto de germânio (GeS), capaz de servir a diversas funções no campo das energias alternativas.
Para criar as estruturas em formato de flor, os pesquisadores primeiro aqueceram o GES em um forno até que o material se vaporizasse.
O vapor é então soprado para uma área mais fria do forno, onde o GeS sedimenta em camadas, de 20 a 30 nanômetros de espessura, e com até 100 micrômetros de comprimento.
Conforme as camadas vão sendo adicionadas, as folhas se ramificam umas a partir das outras, criando um padrão similar a um cravo.
Complexidades práticas
O pesquisador acrescenta que o material pode ser usado em células solares, embora o estudo agora divulgado ainda não demonstre como isso possa ser feito em uma estrutura tão complicada, e frágil demais para ficar exposta - a conexão dos eletrodos seria de longe o maior desafio.
Mas a estrutura complexa é promissora como componente de estruturas maiores, incorporada em materiais usados, como o pesquisador cita, em baterias e supercapacitores.

Energia - LED completa 50 anos

O primeiro LED custou U$260,00 só em materiais.[Imagem: GE]

O primeiro LED
Em Outubro de 1962, o então jovem doutor Nick Holonyak apresentava ao mundo o primeiro LED (Light-Emitting Diode), um diodo emissor de luz.
Já se sabia que os diodos podiam emitir radiação na faixa do infravermelho, mas ninguém havia ainda conseguido fazê-los brilhar na faixa visível pelo olho humano.
Na época, a pesquisa com semicondutores ainda era emergente e quase uma curiosidade científica, em um mundo dominado pelas válvulas termoiônicas.
O primeiro transístor era um adolescente, e não tinha ainda completado 15 anos de idade.
O primeiro circuito integrado vinha na turma seguinte, com apenas 14 anos.
Mas os trabalhos com os masers, que levariam à descoberta do laser, fervilhavam, com vários grupos tentando criar dispositivos de estado sólido para a emissão de diversos comprimentos de onda. Devido à sua ligação com a GE, Holonyak queria fabricar um componente semicondutor que emitisse luz visível - em outras palaavras, uma lâmpada.

O LED foi apenas a primeira criação do Dr. Nick Holonyak, que tem uma série de contribuições na área. [Imagem: GE/Univ.Illinois]

"O Mágico"
Enquanto seu colega Robert Hall tentava construir um laser semicondutor no infravermelho usando GaAs (arseneto de gálio), Holonyak voltou-se para o espectro visível usando GaAsP (fosforeto arsenieto de gálio).
Em 9 de outubro de 1962, com toda a equipe assistindo, Holonyak tornou-se a primeira pessoa a operar um laser de liga semicondutora na faixa visível - o componente que iluminou o primeiro LED visível.
A equipe passou a chamar o primeiro LED visível de "o mágico", porque, ao contrário dos outros componentes, não era preciso olhar para os aparelhos para ver se ele estava funcionando.
Cinquenta anos depois, os LEDs estão em todos os aparelhos eletrônicos, TVs, monitores de computador, lanternas, semáforos, faróis de carros e uma infinidade de outras aplicações.

Inúmeros pesquisadores ao redor do mundo tentam resolver as deficiências da luz emitida pelos LEDs, que não é tão agradável aos olhos humanos, apesar de suas inúmeras vantagens. [Imagem: GE]

Lâmpada definitiva
O que ainda se espera é que os LEDs realizem a promessa de substituir de vez as lâmpadas incandescentes, que consomem energia demais, e as fluorescentes, que usam o perigoso mercúrio.
Apesar disso, o Dr. Holonyak chama seu pequeno "mágico" de "a lâmpada definitiva": "Porque a própria corrente elétrica é a luz," justifica ele.
Isso significa que um LED opera de forma energeticamente muito eficiente, com pouca perda de energia e uma dissipação de calor desprezível.
O grande entrave à sua utilização na iluminação residencial é que seu espectro de emissão não é contínuo, o que torna sua luz menos agradável aos olhos humanos.
Aos 83 anos, o cientista continua trabalhando na Universidade de Illinois, nos Estados Unidos, sempre em parceria com a empresa GE.
O Dr. Holonyak é responsável também por vários avanços mais recentes na área:

Informática - Deficientes visuais "enxergam" com aparelho que traduz cores em música

O usuário pode usar o "aparelho de substituição sensorial" na forma de óculos, ou apontar diretamente a câmera para o objeto de interesse (embaixo à direita). [Imagem: Dupliy/Amedi/Levy-Tzedek]

Dispositivos de substituição sensorial
Pesquisadores criaram um novo dispositivo para ajudar pessoas cegas a não apenas perceberem o ambiente ao seu redor, mas também a identificar objetos individuais.
Já existem vários trabalhos que tentam criar "mapas sonoros do ambiente", convertendo imagens em sons.
O objetivo final é construir os chamados "dispositivos de substituição sensorial", aparelhos que usam diversas tecnologias para traduzir as informações de um sentido - geralmente não funcional no indivíduo - por informações que afetem outro sentido.
Alguns desses estudos já estão em estágio avançado de testes.

• Equipamento transforma imagens em mapas sonoros tridimensionais

Transformando imagens em sons
Mas Maxim Dupliy e seus colegas não queriam apenas uma forma de ajudar as pessoas cegas a caminharem dentro ou fora de casa: eles queriam construir algo mais funcional, que permita, por exemplo, que uma pessoa pegue uma fruta, ou aperte a mão de um amigo.
O aparelho, batizado de EyeMusic, usa uma câmera para capturar as imagens. Cada imagem digital é processada, transformando os pixels em notas musicais.
Por exemplo, os pixels na vertical, que mostram a altura dos objetos, são representados por notas musicais que variam do grave (objetos mais baixos) ao agudo (objetos mais altos).
A localização horizontal de cada pixel é indicada pela temporização das notas musicais, com tempos maiores indicando a direita, e tempos menores a esquerda.
O brilho de cada parte da imagem é codificado pelo volume do som.
Música para os meus olhos
Mas ninguém gosta de "ouvir em preto e branco". Restava então codificar as cores.
Para isso, foram usados diferentes instrumentos musicais, um para cada uma de cinco cores.
O azul é representado pelo trompete, o vermelho pelo órgão, o verde pelo órgão de palheta sintetizado e o amarelo pelo violino. Finalmente, o branco é representado por um vocal e o preto pelo silêncio.
Os pesquisadores preocuparam-se também com o lado artístico, para que os sons soem sempre suaves e harmônicos, evitando apitos e chiados desconfortáveis ou desagradáveis.
"As notas se estendem por cinco oitavas e foram cuidadosamente escolhidas por músicos para criar uma experiência agradável para os usuários," disse Amir Amedi, coautor do estudo.
Percepção espacial no cérebro
Se na descrição parece tudo muito complicado, na prática deu-se o contrário: os usuários conseguiram operar o dispositivo muito rapidamente, alguns deles com apenas meia hora de treinamento.
Assim, o experimento dá suporte à hipótese de que a representação do espaço no cérebro pode não ser dependente de como a informação espacial é recebida, e que é necessário muito pouco treinamento para criar uma representação do espaço sem a visão - isto pode ser feito, como se comprovou, usando sons.
"O nível de precisão alcançado em nosso estudo indica que é factível usar um dispositivo de substituição sensorial para realizar tarefas do dia-a-dia, indicando um grande potencial para seu uso em terapias de reabilitação," concluiu.

Informática - Aparelho de baixo custo controla computador com os olhos

Mesmo depois de um "banho de design", o aparelho poderá chegar ao mercado por uma fração do custo das versões atualmente disponíveis. [Imagem: Abbott/Faisal/JNE]

Sem as mãos
Implantes neurais, interfaces cérebro-máquina e sensores já permitem controlar computadores, próteses e até robôs, apenas com o pensamento.
A maioria, contudo, ainda está em estágio de pesquisas, disponíveis apenas para laboratórios - os poucos disponíveis têm baixa resolução e ainda são equipamentos caros.
Mas isso está prestes a mudar, graças ao trabalho de dois engenheiros do Imperial College, de Londres.
William Abbot e Aldo Faisal construíram um equipamento capaz de controlar um computador apenas com os olhos a um custo de cerca de US$60 (R$125,00).
Segundo eles, a tecnologia logo estará disponível para pessoas com diversos tipos de deficiências, incluindo pacientes de esclerose múltipla, Parkinson, distrofia muscular, lesões na medula espinhal ou amputados.
Controle do computador com os olhos
Fabricado com equipamentos comprados no comércio, o aparelho monitora com exatidão o movimento dos olhos, permitindo o controle de um cursor na tela exatamente como um mouse.
Com um consumo inferior a 1 watt, o aparelho, batizado de GT3D, pode transmitir os dados para qualquer computador rodando Windows ou Linux, conectado a uma porta USB ou por meio de uma conexão Wi-Fi.
Na demonstração, os pesquisadores permitiram que voluntários, sem nenhum treinamento, usassem o equipamento para brincar de Pong, usando apenas os olhos.
O sistema é composto por duas câmeras de baixo custo montadas sobre um par de óculos.
As câmeras capturam continuamente a imagens dos olhos, enquanto um programa processa as imagens e determina o movimento da pupila.
Esse movimento faz as vezes do mouse, controlando o cursor na tela. O clique é feito por um movimento especial do olho, que pode ser calibrado no software.
Profundidade do olhar
O programa de controle já alcançou uma precisão suficiente para determinar a "profundidade do olhar" - ele determina se o usuário está focando o olhar mais próximo ou mais distante.
Embora ainda não tenham tirado proveito dessa capacidade na versão atual do GT3D, os pesquisadores afirmam que isso poderá permitir o controle de cadeiras de rodas ou próteses robotizadas.
Nesses casos, bastará que o usuário focalize o olhar no ponto para onde deseja se deslocar, ou onde quer colocar a mão, por exemplo.

Informática - Disco histórico toca novamante a partir de uma fotografia

A imagem, registrada em uma revista alemã impressa em 1890, tem resolução suficiente para identificar quase completamente as ondulações dos sulcos, que representam as ondas sonoras registradas no disco. [Imagem: Indiana U.]

Imagens que falam
Por mais modernas que nos pareçam, as tecnologias sempre envelhecem.
Sensação quando foi inventada, no fim do século 19, tudo o que resta de uma das primeiras gravações de som feita pelo homem é uma fotografia.
O disco guarda a voz abafada de Emile Berliner, o pai do gramofone (ou fonógrafo), recitando a poesia "A Luva", de Friedrich Schiller.
Mas se tudo o que resta do disco é uma fotografia, como é que sabemos o que há nele?
É que o envelhecimento de uma tecnologia pressupõe o surgimento de uma nova tecnologia, mais moderna.
E Patrick Feaster e seus colegas da Universidade de Indiana, nos Estados Unidos, usaram todas as técnicas ao seu alcance para decodificar o som registrado no disco usando apenas sua fotografia.
Digitalização
Feaster digitalizou a imagem e processou o arquivo para "desenrolar" os sulcos do disco.
A surpresa foi que a imagem, registrada em uma revista alemã impressa em 1890, tinha resolução suficiente para identificar quase completamente as ondulações dos sulcos, que representam as ondas sonoras registradas no disco.
O pesquisador então criou um arquivo linear, que lembra um pouco um clip de áudio moderno, e utilizou um programa especialmente desenvolvido para ler as ranhuras do disco e transformá-las em sons.
Embora não tenha conseguido datar precisamente a gravação, Feaster ainda assim acredita que se trata de um dos primeiros experimentos com o gramofone, uma inovação que viria maravilhar toda uma geração.
"Há 25 bibliotecas no mundo que têm esse exemplar [da revista Über Land und Meer], o que o torna extremamente raro. Mas nós fizemos o que nenhuma delas consegue fazer: tocamos o disco novamente," comemorou ele.
Recentemente, outra equipe reconstruiu as primeiras gravações de som da história, mas a partir de disco reais, guardados no Museu Smithsoniano.