![Elétrons (azul) e lacunas (vermelho) colidiram dentro de um cristal de disseleneto de tungstênio (estrutura na parte inferior). Após a colisão, a energia adquirida durante a aceleração é emitida em fótons de alta energia (raios coloridos) que guardam informações fundamentais sobre o cristal.[Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg] Colisor de estado sólido A viabilidade de construção de um colisor de estado sólido que choca quasipartículas acaba de ser demonstrada por Fabian Langer (Universidade de Regensburg - Alemanha) e uma equipe internacional de pesquisadores. A diferença com os colisores de partículas, como o LHC, é que esses futuros laboratórios deverão ser pequenos e funcionarão em matéria sólida, e não na forma de feixes de partículas que se chocam. Os colisores de partículas estão permitindo desvendar o funcionamento da matéria, como ocorreu recentemente com a descoberta do bóson de Higgs. Contudo, apesar do fato de que toda a tecnologia moderna depende do conhecimento das propriedades estruturais e eletrônicas de materiais sólidos - os semicondutores, por exemplo -, até agora não existe um equivalente de estado sólido para um colisor em nível atômico. Quasipartículas Dentro de um sólido, os análogos mais úteis das partículas, como os prótons, são as chamadas quasipartículas, entidades que ficam a meio caminho entre a matéria e a luz, como os fônons, os sólitons, os excitons e os topolaritons. Para entender do que se trata uma quasipartícula, imagine que, se cada torcedor em um estádio for como um átomo em um sólido, então a quasipartícula é a onda que a torcida faz quando os torcedores se levantam e se sentam em sincronia. Essas ondulações estão na base de tecnologias como a plasmônica e seus chips à velocidade da luz, novas formas de converter luz em eletricidade, e de um tipo muito especial de laser, chamado spaser, apenas para citar alguns exemplos. Experimentos anteriores já permitiram acelerar quasipartículas como os excitons - pares de elétrons e lacunas (vacâncias de elétron) ligados pela força elétrica - usando raios laser, mas até agora ninguém havia conseguido fazer duas quasipartículas se chocarem. Os promissores skyrmions e os isolantes topológicos poderão ter seus segredos desvendados nos aceleradores de estado sólido. [Imagem: Dustin Gilbert / NIST] Pulsos terahertz O feito foi conseguido usando uma fonte de laser única no mundo, localizada no Laboratório Terahertz em Regensburg, na Alemanha. Como as quasipartículas têm um tempo de vida extremamente curto, é crucial trabalhar em escalas de tempo ultracurtas - se um segundo fosse esticado para a idade do universo, uma quasipartícula não duraria mais do que algumas horas. O pulso de laser na frequência dos terahertz acelerou os pares de elétrons e lacunas (excitons) em um prazo mais curto do que uma única oscilação da luz - 1 terahertz equivale a 1 trilhão de oscilações por segundo. O experimento foi feito em uma fina pastilha de disseleneto de tungstênio, um material promissor que já foi usado até para construir um transístor quântico. Quando os excitons se chocam, eles emitem rajadas ultracurtas de luz que codificam as principais propriedades do sólido no qual a colisão ocorre. "Estes experimentos temporizados de colisão em um sólido provam que os conceitos básicos dos colisores, que transformaram a nossa compreensão do mundo subatômico, podem ser transferidos da física de partículas para a pesquisa de estado sólido. Eles também lançam uma nova luz sobre as quasipartículas," disse o professor Mark Sherwin, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA. Fonte: Bibliografia: Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber Nature Vol.: 533, 225-229 DOI: 10.1038/nature17958](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEhK0GbNFmM15zosBeWhBhEokGKzl0hbngG8ojmesbQeKO1RW7PD17xrmCoM73vjevZUImTlT2ZjUOHIRUGD5Zyu9puNfagmff7RNjxS9b7gcPPR_MJ8Uf0utsuu9ghbSNU61KFg5FOk4AQ/s1600/2.jpg)
Elétrons (azul) e lacunas (vermelho) colidiram dentro de um cristal de disseleneto de tungstênio (estrutura na parte inferior). Após a colisão, a energia adquirida durante a aceleração é emitida em fótons de alta energia (raios coloridos) que guardam informações fundamentais sobre o cristal.[Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg]
Colisor de estado sólido
A viabilidade de construção de um colisor de estado sólido que choca quasipartículas acaba de ser demonstrada por Fabian Langer (Universidade de Regensburg - Alemanha) e uma equipe internacional de pesquisadores.
A diferença com os colisores de partículas, como o LHC, é que esses futuros laboratórios deverão ser pequenos e funcionarão em matéria sólida, e não na forma de feixes de partículas que se chocam.
Os colisores de partículas estão permitindo desvendar o funcionamento da matéria, como ocorreu recentemente com a descoberta do bóson de Higgs.
Contudo, apesar do fato de que toda a tecnologia moderna depende do conhecimento das propriedades estruturais e eletrônicas de materiais sólidos - os semicondutores, por exemplo -, até agora não existe um equivalente de estado sólido para um colisor em nível atômico.
Quasipartículas
Dentro de um sólido, os análogos mais úteis das partículas, como os prótons, são as chamadas quasipartículas, entidades que ficam a meio caminho entre a matéria e a luz, como os fônons, os sólitons, os excitons e os topolaritons.
Para entender do que se trata uma quasipartícula, imagine que, se cada torcedor em um estádio for como um átomo em um sólido, então a quasipartícula é a onda que a torcida faz quando os torcedores se levantam e se sentam em sincronia. Essas ondulações estão na base de tecnologias como a plasmônica e seus chips à velocidade da luz, novas formas de converter luz em eletricidade, e de um tipo muito especial de laser, chamado spaser, apenas para citar alguns exemplos.
Experimentos anteriores já permitiram acelerar quasipartículas como os excitons - pares de elétrons e lacunas (vacâncias de elétron) ligados pela força elétrica - usando raios laser, mas até agora ninguém havia conseguido fazer duas quasipartículas se chocarem.
![Elétrons (azul) e lacunas (vermelho) colidiram dentro de um cristal de disseleneto de tungstênio (estrutura na parte inferior). Após a colisão, a energia adquirida durante a aceleração é emitida em fótons de alta energia (raios coloridos) que guardam informações fundamentais sobre o cristal.[Imagem: Fabian Langer/Universidade de Regensburg] Colisor de estado sólido A viabilidade de construção de um colisor de estado sólido que choca quasipartículas acaba de ser demonstrada por Fabian Langer (Universidade de Regensburg - Alemanha) e uma equipe internacional de pesquisadores. A diferença com os colisores de partículas, como o LHC, é que esses futuros laboratórios deverão ser pequenos e funcionarão em matéria sólida, e não na forma de feixes de partículas que se chocam. Os colisores de partículas estão permitindo desvendar o funcionamento da matéria, como ocorreu recentemente com a descoberta do bóson de Higgs. Contudo, apesar do fato de que toda a tecnologia moderna depende do conhecimento das propriedades estruturais e eletrônicas de materiais sólidos - os semicondutores, por exemplo -, até agora não existe um equivalente de estado sólido para um colisor em nível atômico. Quasipartículas Dentro de um sólido, os análogos mais úteis das partículas, como os prótons, são as chamadas quasipartículas, entidades que ficam a meio caminho entre a matéria e a luz, como os fônons, os sólitons, os excitons e os topolaritons. Para entender do que se trata uma quasipartícula, imagine que, se cada torcedor em um estádio for como um átomo em um sólido, então a quasipartícula é a onda que a torcida faz quando os torcedores se levantam e se sentam em sincronia. Essas ondulações estão na base de tecnologias como a plasmônica e seus chips à velocidade da luz, novas formas de converter luz em eletricidade, e de um tipo muito especial de laser, chamado spaser, apenas para citar alguns exemplos. Experimentos anteriores já permitiram acelerar quasipartículas como os excitons - pares de elétrons e lacunas (vacâncias de elétron) ligados pela força elétrica - usando raios laser, mas até agora ninguém havia conseguido fazer duas quasipartículas se chocarem. Os promissores skyrmions e os isolantes topológicos poderão ter seus segredos desvendados nos aceleradores de estado sólido. [Imagem: Dustin Gilbert / NIST] Pulsos terahertz O feito foi conseguido usando uma fonte de laser única no mundo, localizada no Laboratório Terahertz em Regensburg, na Alemanha. Como as quasipartículas têm um tempo de vida extremamente curto, é crucial trabalhar em escalas de tempo ultracurtas - se um segundo fosse esticado para a idade do universo, uma quasipartícula não duraria mais do que algumas horas. O pulso de laser na frequência dos terahertz acelerou os pares de elétrons e lacunas (excitons) em um prazo mais curto do que uma única oscilação da luz - 1 terahertz equivale a 1 trilhão de oscilações por segundo. O experimento foi feito em uma fina pastilha de disseleneto de tungstênio, um material promissor que já foi usado até para construir um transístor quântico. Quando os excitons se chocam, eles emitem rajadas ultracurtas de luz que codificam as principais propriedades do sólido no qual a colisão ocorre. "Estes experimentos temporizados de colisão em um sólido provam que os conceitos básicos dos colisores, que transformaram a nossa compreensão do mundo subatômico, podem ser transferidos da física de partículas para a pesquisa de estado sólido. Eles também lançam uma nova luz sobre as quasipartículas," disse o professor Mark Sherwin, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA. Fonte: Bibliografia: Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescale F. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber Nature Vol.: 533, 225-229 DOI: 10.1038/nature17958](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjKrzgzjZWvwxU0BfykDwOxyOfS-xsVYJuuGH7CzRjc2PjJaZMeEZm12LCQnXqFGSQgfX8dB8A8mkAmFzATfEwTVZZAhaFaX1kYvhyphenhyphenCzzCU5-4XwJsOXG506uBG7L2plUq5SynyDyGl5FM/s1600/3.jpg)
Os promissores skyrmions e os isolantes topológicos poderão ter seus segredos desvendados nos aceleradores de estado sólido. [Imagem: Dustin Gilbert / NIST]
Pulsos terahertz
O feito foi conseguido usando uma fonte de laser única no mundo, localizada no Laboratório Terahertz em Regensburg, na Alemanha. Como as quasipartículas têm um tempo de vida extremamente curto, é crucial trabalhar em escalas de tempo ultracurtas - se um segundo fosse esticado para a idade do universo, uma quasipartícula não duraria mais do que algumas horas.
O pulso de laser na frequência dos terahertz acelerou os pares de elétrons e lacunas (excitons) em um prazo mais curto do que uma única oscilação da luz - 1 terahertz equivale a 1 trilhão de oscilações por segundo. O experimento foi feito em uma fina pastilha de disseleneto de tungstênio, um material promissor que já foi usado até para construir um transístor quântico.
Quando os excitons se chocam, eles emitem rajadas ultracurtas de luz que codificam as principais propriedades do sólido no qual a colisão ocorre.
"Estes experimentos temporizados de colisão em um sólido provam que os conceitos básicos dos colisores, que transformaram a nossa compreensão do mundo subatômico, podem ser transferidos da física de partículas para a pesquisa de estado sólido. Eles também lançam uma nova luz sobre as quasipartículas," disse o professor Mark Sherwin, da Universidade da Califórnia em Santa Bárbara, nos EUA.
Fonte: Bibliografia:
Lightwave-driven quasiparticle collisions on a subcycle timescaleF. Langer, M. Hohenleutner, C. P. Schmid, C. Poellmann, P. Nagler, T. Korn, C. Schüller, M. S. Sherwin, U. Huttner, J. T. Steiner, S. W. Koch, M. Kira, R. Huber
Nature
Vol.: 533, 225-229
DOI: 10.1038/nature17958
![Faça-se a matéria O pulso de laser se propaga ao longo do eixo X, enquanto a superfície da folha metálica fica na perpendicular.[Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS] A interação entre a luz e a matéria está na base de inúmeras tecnologias, das células solares à plasmônica e à spintrônica, sem falar de todas aquelas que levam o termo "quântico" no nome, como a computação quântica. Mas quando a luz atinge intensidades muito elevadas, sobretudo na forma de lasers de alta potência, as coisas começam a ficar deveras interessantes - para dizer o mínimo. Igor Kostyukov e Evgeny Nerush, da Academia Russa de Ciências, acabam de publicar um artigo explicando como produzir elétrons e pósitrons a partir de interações laser-matéria em intensidades ultrafortes. Em outras palavras, eles calcularam como fazer para criar matéria e antimatéria usando lasers. Não parece de todo estranho para quem está acostumado com a criação de matéria a partir do vácuo quântico, mas agora os dois físicos não estão falando apenas de fótons, mas de elétrons e pósitrons, as antipartículas dos elétrons. Produção de matéria e antimatéria do "nada" O conceito fundamental por trás desses experimentos aparentemente bizarros é fornecido por uma área da física conhecida como eletrodinâmica quântica, que explica como um forte campo elétrico pode fazer o vácuo quântico "ferver" - como o vácuo quântico é tudo, menos vazio, as partículas virtuais que existem nele saltam para a "realidade", onde podem ser capturadas. "O campo [elétrico] pode converter esses tipos de partículas de um estado virtual, no qual as partículas não são diretamente observáveis, para um estado real," explicou Kostyukov. A coisa deverá funcionar da seguinte forma: o forte campo elétrico injetado pelo laser causará grandes perdas de radiação pelos elétrons de uma placa metálica que servirá como alvo porque uma quantidade significativa da sua energia será convertida em raios gama - fótons de alta energia, que são as partículas que formam a luz. Os fótons de alta energia produzidos nesse processo vão interagir com o campo do laser e criar pares de elétrons e pósitrons. Como resultado, emerge um novo estado da matéria: partículas fortemente interativas, campos ópticos e radiação gama, uma mistura cuja dinâmica é regida pela interação entre fenômenos da física clássica e processos quânticos. Distribuição dos elétrons (verde) e dos pósitrons (vermelho) produzidos pela cascata eletrodinâmica quântica. [Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS] Cascata quântica Embora vários experimentos de laboratório já tenham comprovado que a geração de luz e matéria a partir do vácuo funciona de fato, a nova teoria - que ainda não está completa - depende de um fenômeno diferente, conhecido como "cascata eletrodinâmica quântica", uma espécie de reação autossustentada. Além de não ser totalmente compreendido, esse fenômeno ainda depende do desenvolvimento de equipamentos que possam permitir sua observação em laboratório. Os dois físicos salientam que elucidaram a fase inicial do fenômeno, quando os pares elétron-pósitron produzidos não interferem significativamente com a interação entre o laser e a folha metálica. "Agora, nós estamos explorando o estágio não-linear, quando o plasma autogerado de elétrons-pósitrons modifica a interação. E nós vamos tentar expandir nossos resultados para configurações mais gerais das interações laser-matéria e outros regimes de interação, levando em consideração uma faixa de parâmetros mais ampla," disse Kostyukov. Segundo ele, quando esses experimentos puderem ser realizados, o fenômeno da geração de matéria e antimatéria pelo laser poderá ser importante não apenas em pesquisas fundamentais de física e na bem-vinda produção de antimatéria, mas também em fontes de plasma e feixes de fótons e pósitrons que deverão superar muito a intensidade dos atuais aceleradores. Fonte: PhysOrg Bibliografia: Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions Igor Yu. Kostyukov, Evgeny N. Nerush Physics of Plasmas Vol.: 23, 093119 DOI: 10.1063/1.4962567](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEiscJOEsnXuNhoig081AsDnoIoYBoz3bDQMZAggn1thHX_hEZJlyZi-T1NZsE2gaHEfA7WJr6ht4otuqb4R8ek822U_Cigu6LjxuoDj7nBBYX5jo6BCDGUomi04hr1yednKypO00qIAiVM/s1600/2.jpg)
![Faça-se a matéria O pulso de laser se propaga ao longo do eixo X, enquanto a superfície da folha metálica fica na perpendicular.[Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS] A interação entre a luz e a matéria está na base de inúmeras tecnologias, das células solares à plasmônica e à spintrônica, sem falar de todas aquelas que levam o termo "quântico" no nome, como a computação quântica. Mas quando a luz atinge intensidades muito elevadas, sobretudo na forma de lasers de alta potência, as coisas começam a ficar deveras interessantes - para dizer o mínimo. Igor Kostyukov e Evgeny Nerush, da Academia Russa de Ciências, acabam de publicar um artigo explicando como produzir elétrons e pósitrons a partir de interações laser-matéria em intensidades ultrafortes. Em outras palavras, eles calcularam como fazer para criar matéria e antimatéria usando lasers. Não parece de todo estranho para quem está acostumado com a criação de matéria a partir do vácuo quântico, mas agora os dois físicos não estão falando apenas de fótons, mas de elétrons e pósitrons, as antipartículas dos elétrons. Produção de matéria e antimatéria do "nada" O conceito fundamental por trás desses experimentos aparentemente bizarros é fornecido por uma área da física conhecida como eletrodinâmica quântica, que explica como um forte campo elétrico pode fazer o vácuo quântico "ferver" - como o vácuo quântico é tudo, menos vazio, as partículas virtuais que existem nele saltam para a "realidade", onde podem ser capturadas. "O campo [elétrico] pode converter esses tipos de partículas de um estado virtual, no qual as partículas não são diretamente observáveis, para um estado real," explicou Kostyukov. A coisa deverá funcionar da seguinte forma: o forte campo elétrico injetado pelo laser causará grandes perdas de radiação pelos elétrons de uma placa metálica que servirá como alvo porque uma quantidade significativa da sua energia será convertida em raios gama - fótons de alta energia, que são as partículas que formam a luz. Os fótons de alta energia produzidos nesse processo vão interagir com o campo do laser e criar pares de elétrons e pósitrons. Como resultado, emerge um novo estado da matéria: partículas fortemente interativas, campos ópticos e radiação gama, uma mistura cuja dinâmica é regida pela interação entre fenômenos da física clássica e processos quânticos. Distribuição dos elétrons (verde) e dos pósitrons (vermelho) produzidos pela cascata eletrodinâmica quântica. [Imagem: Kostyukov/Nerush/IAP RAS] Cascata quântica Embora vários experimentos de laboratório já tenham comprovado que a geração de luz e matéria a partir do vácuo funciona de fato, a nova teoria - que ainda não está completa - depende de um fenômeno diferente, conhecido como "cascata eletrodinâmica quântica", uma espécie de reação autossustentada. Além de não ser totalmente compreendido, esse fenômeno ainda depende do desenvolvimento de equipamentos que possam permitir sua observação em laboratório. Os dois físicos salientam que elucidaram a fase inicial do fenômeno, quando os pares elétron-pósitron produzidos não interferem significativamente com a interação entre o laser e a folha metálica. "Agora, nós estamos explorando o estágio não-linear, quando o plasma autogerado de elétrons-pósitrons modifica a interação. E nós vamos tentar expandir nossos resultados para configurações mais gerais das interações laser-matéria e outros regimes de interação, levando em consideração uma faixa de parâmetros mais ampla," disse Kostyukov. Segundo ele, quando esses experimentos puderem ser realizados, o fenômeno da geração de matéria e antimatéria pelo laser poderá ser importante não apenas em pesquisas fundamentais de física e na bem-vinda produção de antimatéria, mas também em fontes de plasma e feixes de fótons e pósitrons que deverão superar muito a intensidade dos atuais aceleradores. Fonte: PhysOrg Bibliografia: Production and dynamics of positrons in ultrahigh intensity laser-foil interactions Igor Yu. Kostyukov, Evgeny N. Nerush Physics of Plasmas Vol.: 23, 093119 DOI: 10.1063/1.4962567](https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEjH0O5Zy05hf4D7ph2TCZUiky_0s1AxF9c1KNhcFf81PAS1TedEosKHIggxsugfglO1epIJGuvYIC_KswjNJ40SYfFy-sxxFSHdtLxShrd2cFGfwkX8YfryVrpAvfOrwYadB9lQIsuQt5M/s1600/2.jpg)
