Trs descobertas mostram o quo pouco sabemos sobre eles

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Eletrnica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 04/10/2021

El

A cortina de luz to forte que funciona como uma parede para os eltrons.
[Imagem: UCL]

Novidades sobre os eltrons

Virtualmente toda a nossa tecnologia se baseia nos eltrons: Tudo o que eltrico ou eletrnico depende do movimento dessas partculas/ondas imortais.

Isso poderia levar a crer que entendemos tudo sobre eles, mas nada mais longe da verdade.

Alm de no sabermos sequer se os eltrons so uma partcula nica, apenas nos ltimos meses vimos um cristal de eltrons, uma rede cristalina de eltrons, eltrons espiralantes e at eltrons com massa negativa sendo detectados pela primeira vez.

E no pra por a. Desta vez, temos nada menos do que trs novidades sobre os eltrons divulgadas simultaneamente.

Luz pra eltrons

A presso de radiao da luz bem conhecida, e explorada nas velas solares, por exemplo.

Mas ser que a luz, formada por ftons de massa desprezvel (a massa dos ftons relativstica, determinada pelo seu momento), seria forte o suficiente para impactar um eltron, por exemplo?

As teorias dizem que sim, algo que os fsicos chamam de “reao de radiao”: Se a luz for forte o suficiente, o eltron pode ser chacoalhado to violentamente que ele perde energia e, por decorrncia, sua velocidade diminui.

Essa teoria usada para pensar situaes extremas, como buracos negros e quasares, onde se acredita haver energias de magnitudes suficientes para gerar essas colises fton-eltron com efeitos mensurveis. E a reao de radiao tambm importante nos estudos da fsica quntica, uma vez que as equaes de Maxwell no tm poder explicativo nesses ambientes extremos.

Agora, pela primeira vez, Jason Cole e seus colegas do Imperial College de Londres conseguiram medir a reao de radiao em laboratrio, comprovando experimentalmente sua existncia.

Eles foram capazes de observar esta reao de radiao colidindo um feixe de laser um quatrilho (um bilho de milhes) de vezes mais brilhante do que a luz na superfcie do Sol com um feixe de eltrons de alta energia. Quando os eltrons alcanavam os ftons dessa “cortina de luz”, eles praticamente paravam, enquanto os ftons ganhavam energia, passando de luz visvel para raios gama de altssima energia.

“Os eltrons so parados com a mesma eficcia por esta folha de luz, com uma frao de largura de um fio de cabelo, como por algo como um milmetro de chumbo. Isso extraordinrio,” disse o professor Alec Thomas.

Os dados do experimento tambm concordam melhor com um modelo terico baseado nos princpios da eletrodinmica quntica, em vez das equaes de Maxwell, fornecendo algumas das primeiras evidncias de modelos qunticos que nunca haviam sido testados experimentalmente.

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Eltrons podem fluir como um lquido tambm na matria comum.
[Imagem: MPI/CPfS]

Eltrons movendo-se como lquido

Embora os eltrons movam-se pelos materiais de forma parecida com um gs, em 2019 as coisas comearam a mudar, com a demonstrao experimental de um extico lquido de eltrons.

Os avanos prosseguiram em 2020, com a observao de eltrons se movimentando de modo similar a um lquido em materiais monoatmicos, como grafeno. E, h cerca de um ms, esse mesmo fenmeno dos eltrons fluindo como lquido foi observado em um supercondutor.

Agora, uma equipe da Alemanha e dos EUA mostrou que o movimento hidrodinmico dos eltrons pode ocorrer inclusive em materiais comuns, tridimensionais (3D).

Para isso, a equipe criou sensores ultraprecisos usando vacncias de nitrognio no diamante, pequenos defeitos que esto sendo explorados como sensores e para criar qubits para computadores qunticos. Esses sensores conseguiram capturar imagens do campo magntico local de um fluxo de corrente eltrica em um material chamado ditelureto de tungstnio, revelando o comportamento totalmente diferenciado dos eltrons.

O fluxo eltrico hidrodinmico depende de fortes interaes entre os prprios eltrons, assim como a gua e outros fluidos dependem de fortes interaes entre suas molculas.

“A capacidade de criar imagens e controlar esses fluxos hidrodinmicos em condutores tridimensionais em funo da temperatura abre a possibilidade de criar eletrnicos quase sem dissipao [de calor] em dispositivos em nanoescala, bem como fornece novos insights sobre a compreenso das interaes eltron-eltron,” disse Georgios Varnavides, um dos autores do estudo. “A pesquisa tambm abre caminho para explorar o comportamento no clssico dos fluidos no fluxo hidrodinmico de eltrons, como vrtices em estado estacionrio.”

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Sempre se soube que eltrons interagiam uns com os outros, mas ningum at hoje havia conseguido medir essas interaes.
[Imagem: Adbhut Gupta et al. – 10.1038/s41467-021-25327-7]

Eltrons interagindo com eltrons

Quando os eltrons fluem atravs de um fio metlico, eles colidem com impurezas do metal e uns com os outros, perdendo energia e liberando calor – essa interao com as impurezas bem conhecida.

Mas ningum at hoje havia conseguido estudar em detalhes o efeito dos eltrons se chocando uns com os outros, algo que crucial no estudo da supercondutividade, por exemplo.

Adbhut Gupta e colegas da Universidade Tcnica da Virgnia, nos EUA, conseguiram fazer isto pela primeira vez.

Eles precisavam de trs condies bsicas para fazer seu experimento: Baixas temperaturas, um campo magntico para fazer os eltrons girarem em rbitas definidas e materiais ultrapuros, para que os eltrons se chocassem apenas entre eles. O objetivo era simples: Medir a distncia que os eltrons viajariam em suas rbitas antes de encontrarem outros eltrons e se chocassem, fugindo das rbitas.

O experimento no apenas funcionou, como mostrou resultados bem mais fortes do que aqueles previstos pela teoria, algo que merecer novos estudos tericos e novos experimentos de confirmao.

No entanto, esta no foi a nica surpresa que o experimento revelou. Como vimos na descoberta anterior, experimentos recentes comearam a mostrar que, em certos materiais e sob determinadas condies, grupos de eltrons fluem coletivamente e se comportam como um lquido.

Mas o que apareceu aqui foi mais complicado: Os eltrons fluram em vrtices, como redemoinhos, algo que ainda est por ser explicado. Embora os redemoinhos magnticos, chamados skyrmions, sejam bem conhecidos, esses redemoinhos eltricos so uma novidade.

“Os redemoinhos persistem mesmo que as interaes entre os eltrons sejam muito fracas,” disse Gupta. “Neste ponto, no se sabe muito sobre esse comportamento coletivo no limite da interao fraca. um fenmeno novo, que uma nica partcula no teria mostrado. O nosso o primeiro experimento a sugerir esse tipo de comportamento coletivo.”

Bibliografia:

Artigo: Experimental Evidence of Radiation Reaction in the Collision of a High-Intensity Laser Pulse with a Laser-Wakefield Accelerated Electron Beam
Autores: Jason M. Cole, K. T. Behm, E. Gerstmayr, T. G. Blackburn, J. C. Wood, C. D. Baird, M. J. Duff, C. Harvey, A. Ilderton, A. S. Joglekar, K. Krushelnick, S. Kuschel, M. Marklund, P. McKenna, C. D. Murphy, K. Poder, C. P. Ridgers, G. M. Samarin, G. Sarri, D. R. Symes, A. G. R. Thomas, J. Warwick, M. Zepf, Z. Najmudin, S. P. D. Mangles
Revista: Physical Review X
Vol.: 8, 011020
DOI: 10.1103/PhysRevX.8.011020

Artigo: Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2
Autores: Uri Vool, Assaf Hamo, Georgios Varnavides, Yaxian Wang, Tony X. Zhou, Nitesh Kumar, Yuliya Dovzhenko, Ziwei Qiu, Christina A. C. Garcia, Andrew T. Pierce, Johannes Gooth, Polina Anikeeva, Claudia Felser, Prineha Narang, Amir Yacoby
Revista: Nature Physics
Vol.: 12, Article number: 5048
DOI: 10.1038/s41567-021-01341-w

Artigo: Precision measurement of electron-electron scattering in GaAs/AlGaAs using transverse magnetic focusing
Autores: Adbhut Gupta, J. J. Heremans, Gitansh Kataria, Mani Chandra, S. Fallahi, G. C. Gardner, M. J. Manfra
Revista: Nature Communications
DOI: 10.1038/s41467-021-25327-7

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