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Módulos

Selecionamos para a 4ª edição da EAFExp diversos experimentos com considerável grau de complexidade, onde temas da física contemporânea serão abordados e estudados por técnicas experimentais no estado da arte. Os temas abrangerão as diferentes áreas experimentais do CBPF.

1) Aspectos experimentais da informação quântica via RMN

2) Biomateriais nanoestruturados para aplicação biomédica

3) Caracterização de materiais por espectroscopia Mössbauer

4) Compostos magnéticos moleculares

5) Espectroscopia e nanoscopia de interfaces

6) Estudo do movimento de bactérias magnéticas

7) Instrumentação de física de partículas I: cintiladores

8) Instrumentação de física de partículas II: detectores a gás (RPC)

9) Materiais supercondutores

10) Nanomagnetismo e spintrônica

Lembramos que o objetivo do evento é inserir os participantes na prática do dia-a-dia da ciência experimental.

Desse modo, os alunos devem estar de espírito aberto para participar de QUALQUER UM dos módulos, uma vez que a escolha NÃO NECESSARIAMENTE atenderá a sua primeira opção.


Nas edições anteriores esse procedimento se revelou extremamente positivo, segundo a avaliação dos próprios participantes.


1) Aspectos experimentais da informação quântica via RMN

Alexandre M. Souza (Pesquisador CBPF) e Roberto S. Sarthour (Pesquisador CBPF)

Somente um sistema quântico que pode ser controlado (chamado de computador quântico) pode ser utilizado para realizar a simulação de qualquer outro sistema, também quântico, de maneira eficiente. Esta ideia precursora fez surgir a área de computação quântica e informação quântica, que estuda como armazenar processar e utilizar a informação contida em sistemas quânticos. Hoje em dia existem inúmeros algoritmos quânticos que realizam tarefas de modo mais eficiente do que seus análogos clássicos, e esta é uma área de grande potencial para a ciência.

Neste curso iremos introduzir os conceitos por trás da importante e atual área de pesquisa chamada de informação quântica (IQ), e os estudantes aprenderão os aspectos experimentais necessários para realizar simulações quântica utilizando a técnica de ressonância magnética nuclear (RMN). Simulações são importantes em várias áreas e não poderia ser diferente na física. Existem sempre grandes desafios ao tentar simular fenômenos que ocorrem na natureza, tais como reações químicas e evolução de sistemas biológicos, ou produzidos artificialmente, como funcionamento de máquinas. Entretanto, é impossível simular sistemas quânticos com grande números de partículas de forma eficiente porque existem fenômenos como superposições de estados e emaranhamento que são intrínsecos ao mundo quântico. Porém, são estes fenômenos interessantes e estanhos que fazem com “computadores quânticos” sejam mais eficazes que os clássicos. Além disso, a descrição matemática da Mecânica Quântica utiliza o espaço de Hilbert, que cresce exponencialmente com o número de partículas. Portanto, somente um sistema quântico pode ser utilizado para simular de maneira eficiente um outro sistema contendo muitas partículas.

A RMN é um técnica conhecida por décadas e com diversas aplicações, em várias áreas, tendo sido pioneira na implementação experimental de diversos algoritmos e protocolos quânticos. Além disso, a RMN tem sido aplicada com sucesso em diversas simulações experimentais de sistemas quânticos e também na implementação de vários protocolos e estudos na área de IQ.

Neste módulo, os alunos realizarão vários experimentos de RMN que permitem o processamento da informação que pode ser armazenada nos estados quânticos dos spins nucleares. Os alunos aprenderão como preparar estados quânticos, medir suas matrizes densidade e implementar evoluções temporais de alguns Hamiltonianos. Com isto os alunos entrarão em contato com vários fenômenos interessantes que podem ser estudados na área de IQ. Entretanto, neste curso daremos uma ênfase às simulações de sistemas quânticos experimentalmente utilizando a técnica da RMN.

2) Biomateriais nanoestruturados para aplicação biomédica

Alexandre Mello de Paula Silva (Tecnologista CBPF)Fabio de Oliveira Borges (Prof. IF-UFF),  Elvis Oswaldo Lopez Meza (Pós-doc CBPF), Fabrício F. Borghi (Prof. IF-UFF), Gabriela Cerqueira Gomes ( Pós-doc CBPF), Elena Mavropoulos  (Tecnologista CBPF), Andréa Machado Costa (Pós-doc CBPF), Noemi Raquel Checca Huaman ( Pós-doc CBPF).

A síntese por métodos físicos de materiais sólidos nanoestruturados em filmes finos ou recobrimentos nanométricos se utiliza dos mesmos controles de parâmetros termodinâmicos como atmosfera (ou pressão parcial dos gases), temperatura, concentração e atividade química dos elementos empregados. Porém, embora o controle desses parâmetros seja responsável por diversos efeitos estruturais, a quebra de simetria da rede cristalina, a redução do número de coordenação dos átomos na superfície e a mudança dos estados eletrônicos nestes sólidos bidimensionais (2D) originam nanoestruturas com fenômenos físicos interessantes, diferentes arranjos atômicos (fases sólidas) e composições químicas diversas do material maciço (bulk) convencional (3D). Desta maneira, manipulando apenas as dimensões e forma ou morfologia de um material pode-se mudar a suas propriedades de: condutor para semicondutor; de um comportamento ferromagnético para superparamagnético; de hidrofóbico para hidrofílico, reduzir em até dez vezes a sua temperatura de fusão, aumentar a biocompatibilidade da superfície de compostos de fosfato de cálcio ou a dureza e aderência de revestimentos etc.

Neste módulo serão produzidos filmes finos nanoestruturados de fosfato de cálcio com substituições aniônicas e catiônicas para induzir adesão celular. O controle desta mudança se dará através da manipulação da energia entregue pelo plasma formado durante a deposição dos filmes por magnetron sputtering em ângulo reto (RAMS). Desta forma serão produzidos filmes estequiométricos  e cristalinos com aplicação em biomedicina.

3) Caracterização de materiais por espectroscopia Mössbauer

Elisa Baggio Saitovitch (Pesquisadora colab. CBPF), Cyntia Contreras (Pós-Doc CBPF), Henrique Saitovitch (Pesquisador colab. CBPF), Julián Andrés Munévar Cagigas (Prof. UFABC-SP) e Mariella Alzamora Camarena (Profa. UFRJ/Xerém) 

O físico alemão Rudolf Mössbauer na elaboração de seu trabalho de doutorado em Munique observou, em 1957, pela primeira vez a absorção ressonante da radiação gama. Assim, em 1961 ele recebeu o prêmio Nobel de física pela descoberta e explicação da “emissão e absorção de radiação nuclear sem recuo”. Observado inicialmente no isótopo de 191Ir o efeito que passou a ser conhecido como Efeito Mössbauer (EM) foi observado em mais de 40 núcleos sendo os mais populares 57Fe, 119Sn e 151Eu,   As informações obtidas com EM sobre as interações hiperfinas entre o núcleo e os elétrons contêm uma riqueza de informações que deram origem à Espectroscopia Mössbauer. Esta espectroscopia é uma técnica nuclear que pode ser aplicada em várias áreas da ciência para o estudo da estrutura eletrônica do átomo sonda e de suas vizinhanças, dando informações sobre: fases cristalográficas (informação quantitativa), estados de carga, ligações químicas, simetria e estado magnético dos isótopos em estudo. É uma ferramenta importante para o estudo de materiais magnéticos, nanomateriais, materiais biológicos e moleculares, solos; podendo ainda dar informações sobre corrosão de materiais e sobre arqueometria, entre outros. Atualmente existe um espectrômetro Mössbauer no braço de um robô explorando a composição de ferro do solo de Marte.

Propomos neste curso, introduzir as ferramentas teórica e experimental necessárias para o entendimento da técnica, com ênfase nas grandezas físicas que podem ser obtidas e sua importância para o estudo de diversos materiais, como mencionados acima.

Apresentaremos ainda a técnica de correlação angular perturbada que também utiliza radiação nuclear para o estudo de interações hiperfinas em materiais.

4) Compostos magnéticos moleculares

Eliane Wajnberg (Pesquisadora CBPF), Guilherme Pereira Guedes (Prof. IQ-UFF) e Odivaldo Cambraia Alves (Prof. IQ-UFF)

Magnetos moleculares são sistemas moleculares capazes de apresentar propriedades magnéticas semelhantes aos magnetos clássicos, mas que apresentam algumas vantagens tais como baixa dimensionalidade, solubilidade, flexibilidade mecânica e facilidade de síntese, que os torna promissores para aplicações tecnológicas. Os modelos teóricos que descrevem o comportamento magnético são, em geral, solúveis analiticamente, possibilitando a discussão de suas propriedades físicas e química.

Neste módulo iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais relacionadas ao magnetismo molecular. Os estudantes deste módulo irão participar de todas as etapas, desde a síntese e caracterização dos magnetos moleculares até as análises das medidas com base nos modelos teóricos discutidos durante o módulo.

5) Espectroscopia e nanoscopia de interfaces

Fernando Stavale (Pesquisador CBPF) Wendell Simões e Silva (LNLS/CNPEM-SP)

Neste curso iremos abordar aspectos teóricos e experimentais envolvendo fenômenos físicos e químicos que ocorrem em interfaces sólido-gás. Esses fenômenos determinam os mecânismos de formação de superfícies, filmes e nanoestruturas diversas, e por isso tem grande impacto nas propriedades funcionais dos materiais. Alguns dos fenômenos que discutiremos incluem, reconstruções de superfície, modos de crescimento de filmes finos, estabilidade química e adsorção de moléculas, e reatividade. Além disso, técnicas de crescimento e caracterização de superfícies, como evaporação, difração de elétrons de baixa energia, espectroscopia de foto-elétrons e de elétrons Auger e microscopia de ponta de prova, força atômica e tunelamento, seram apresentadas e amplamente discutidas.

6) Estudo do movimento de bactérias magnéticas

Daniel Acosta-Avalos (Pesquisador CBPF) 

Bactérias magnéticas são microorganismos que fabricam no seu interior nanopartículas magnéticas de magnetita ou greigita. Estas nanopartículas se encontram organizadas em cadeias lineares, fornecendo à bactéria um momento magnético. Através deste momento magnético as bactérias magnéticas podem alinhar sua trajetória de nado com as linhas do campo geomagnético. O grupo de Biofísica do CBPF tem tradição no estudo destes microorganismos, tendo descoberto aqui no Rio de Janeiro os procariotos magnéticos multicelulares. Por ser uma área multidisciplinar, conhecimentos de biologia são necessários para poder relacionar os estudos feitos por outros grupos de pesquisa com os estudos feitos aqui no CBPF. O objetivo do presente modulo é aprender a biologia e a física das bactérias magnéticas, através de aulas teóricas e praticas, para depois poder pesquisar a cinemática do movimento destas bactérias usando videomicroscopia. Os vídeos serão filmados em alta velocidade (80 fps ou 150 fps) e as coordenadas das trajetórias serão obtidos usando o programa ImageJ. Na analise da trajetória serão feitos os ajustes para uma hélice cilíndrica e para uma fita quiral, comparando os resultados dos parâmetros de ambos ajustes em função do campo magnético.

7) Instrumentação de física de partículas I: cintiladores

Alberto Reis (Pesquisador CBPF), André Massafferri (Pesquisador CBPF)Arthur Moraes (Pesquisador CBPF) e  Gilvan Augusto Alves (Pesquisador CBPF)

O entendimento da natureza do ponto de vista microscópico é um processo desafiador do ponto de vista experimental que vem se desenvolvendo desde os gregos com o conceito do atomismo. Em particular, desde o final do século XIX, com a descoberta do elétron por J. Thompson e do núcleo atômico por Rutherford, a física de partículas vem evoluindo em ritmo exponencial em grande medida retroalimentada pela instrumentação criada para suprir os próprios desafios. Como fruto da parceria entre a física experimental e teórica temos atualmente um modelo consistente e baseado em princípios simples de simetria, que explica as interações fundamentais em termos de 2 categorias de partículas elementares, quarks e leptons, e de 3 campos de calibre, força eletromagnética, fraca e forte.

O envolvimento de escalas de energia extremamente altas tanto para a criação de estruturas mais pesadas como para acessar pequenas dimensões, além da necessidade de acumular grandes quantidades de dados para viabilizar a descoberta de processos raros, teve como consequência a criação de grandes colaborações internacionais compostas por vários laboratórios, cada um com tarefas específicas dentro do projeto científico.

Apresentaremos teoria e prática da física dos detectores de partículas e radiações, instrumentos indispensáveis a exploração do mundo subatômico, seja nos laboratórios onde se fazem colisões, seja em experimentos que se utilizam de raios cósmicos. Discutiremos os princípios físicos da interação da radiação com a matéria, o histórico do desenvolvimento dos detectores, princípios de funcionamento de detectores de partículas neutras, carregadas e de radiações, bem como outras aplicações tecnológicas. Os alunos terão acesso a demonstrações de diversas técnicas de detecção e da respectiva aquisição de dados e realizarão, de forma qualitativa, a analise de dados reais relacionada a descoberta do Higgs do experimento CMS/LHC. O módulo realizará as medidas completas do fluxo, velocidade e vida-média de muons cósmicos utilizando cintiladores.

8) Instrumentação de física de partículas II: detectores a gás (RPC)

Alberto Reis (Pesquisador CBPF), André Massafferri (Pesquisador CBPF)Arthur Moraes (Pesquisador CBPF),  Luis Mendes (LIP/CBPF) e Ulisses Barres de Almeida (Pesquisador CBPF)

O entendimento da natureza do ponto de vista microscópico é um processo desafiador do ponto de vista experimental que vem se desenvolvendo desde os gregos com o conceito do atomismo. Em particular, desde o final do século XIX, com a descoberta do elétron por J. Thompson e do núcleo atômico por Rutherford, a física de partículas vem evoluindo em ritmo exponencial em grande medida retroalimentada pela instrumentação criada para suprir os próprios desafios. Como fruto da parceria entre a física experimental e teórica temos atualmente um modelo consistente e baseado em princípios simples de simetria, que explica as interações fundamentais em termos de 2 categorias de partículas elementares, quarks e leptons, e de 3 campos de calibre, força eletromagnética, fraca e forte.

O envolvimento de escalas de energia extremamente altas tanto para a criação de estruturas mais pesadas como para acessar pequenas dimensões, além da necessidade de acumular grandes quantidades de dados para viabilizar a descoberta de processos raros, teve como consequência a criação de grandes colaborações internacionais compostas por vários laboratórios, cada um com tarefas específicas dentro do projeto científico.

Apresentaremos teoria e prática da física dos detectores de partículas e radiações, instrumentos indispensáveis a exploração do mundo subatômico, seja nos laboratórios onde se fazem colisões, seja em experimentos que se utilizam de raios cósmicos. Discutiremos os princípios físicos da interação da radiação com a matéria, o histórico do desenvolvimento dos detectores, princípios de funcionamento de detectores de partículas neutras, carregadas e de radiações, bem como outras aplicações tecnológicas. Os alunos terão acesso a demonstrações de diversas técnicas de detecção e da respectiva aquisição de dados e realizarão, de forma qualitativa, a analise de dados reais relacionada a descoberta do Higgs do experimento CMS/LHC. O módulo realizar a as medidas de trajetografia de muons cósmicos utilizando detectores a gás da tecnologia RPC (Resistive-Plate-chamber).

9) Materiais supercondutores

Eduardo M. Bittar (Pesquisador CBPF) e Tobias Micklitz (Pesquisador CBPF)

O fenômeno da supercondutividade foi primeiramente observado em 1911 como uma queda para zero da curva de resistividade elétrica em função da temperatura, em baixas temperaturas, no mercúrio metálico. Posteriormente em 1933 descobriu-se que nesse estado supercondutor o material tem propriedade de repelir campos magnéticos externos, podendo gerar o efeito de levitação magnética.

As implicações destas descobertas experimentais são enormes para a comunidade científica e para a sociedade. A busca pela compreensão do fenômeno da supercondutividade levou à progressos teóricos significativos, hoje relevantes para diferentes áreas da Física. Tecnologicamente, supercondutores são extremamente importantes, por exemplo, para geração de altos campos magnéticos, necessários para grandes aceleradores de partículas como o CERN e em aplicações médicas (ressonância magnética). Também têm uso em circuitos de computadores quânticos e na busca experimental de novas partículas, como o férmion de Majorana.

Os chamados supercondutores convencionais podem ser bem explicados pela teoria de Bardeen–Cooper–Schrieffer (BCS), que receberam o prêmio Nobel em 1972 pelo modelo. Nesses materiais o estado supercondutor é mediado pela rede cristalina (fônons). No entanto, em 1986 foi observado experimentalmente uma nova classe de supercondutores, em que se presume que a supercondutividade seja mediada pelo magnetismo (magnôns), mas até hoje não há um modelo teórico completo que explique a supercondutividade nestes compostos.

Neste módulo iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais relacionadas ao fenômeno da supercondutividade.

10) Nanomagnetismo e spintrônica

Flávio Garcia (Pesquisador CBPF)João Paulo Sinnecker (Pesquisador CBPF) e Luiz Carlos Sampaio Lima (Pesquisador CBPF)

É sabido que a eletrônica atual deixará de ser viável à medida que os dispositivos (transistores, entre outros) diminuírem ainda mais seu tamanho. Neste cenário, surge como proposta a Spintrônica. A ideia é considerar não somente a carga dos elétrons, como é na eletrônica tradicional, mas também o spin. Sendo assim, a geração, manipulação e detecção de corrente elétrica dependente de spin passou a ser de grande interesse tanto do meio acadêmico quanto da indústria.

Entre alguns fenômenos mais estudados da Spintrônica citamos o efeito Hall de spin (spin Hall effect, SHE), seu recíproco termodinâmico (ISHE) e o bombeamento de spins (spin pumping, SP).

O SHE ocorre em metais não magnéticos atravessados por uma corrente elétrica. Neste caso, por conta da interação spin-órbita, os elétrons de condução, dependendo de seus spins, são espalhados por momentos orbitais do metal assimetricamente, se o spin for up em uma direção e down na oposta. Logo, surge uma corrente pura de spin transversal à corrente dos elétrons. Pictoricamente, uma corrente pura de spin é como duas correntes de elétrons em sentidos opostos, ambas com a mesma carga total, porém uma com spin-up e a outra com spin-down. Como resultado, não há acúmulo de carga, por outro lado, é gerado um acúmulo de spins-up e down nas extremidades opostas do metal.

No ISHE, quando uma corrente de spin atravessa o metal uma corrente elétrica transversal é gerada. Essa é a forma, ainda que indireta, de medir o espalhamento dependente de spin, bastando, para tanto, a medida da voltagem pelo acúmulo de cargas nas extremidades do dispositivo.

O SP ocorre em através da interface de material ferromagnético e um metal sob ação de dois campos, um DC e outro AC. Quando o campo AC satisfizer a condição de ressonância ferromagnética, a magnetização precessionará em torno da direção do campo DC. Como resultado, momento angular é bombeado de modo que, elétrons com spin-up são direcionados a uma direção (por exemplo, em direção à interface) e os com spin-down à direção oposta. Logo, é injetado através da interface uma corrente polarizada em spin. A dinâmica da magnetização obedece a equação de Landau-Lifshtz-Gilbert, que além da precessão, também considera um termo dissipativo, proporcional a um parâmetro adimensional a, conhecido como coeficiente de amortecimento.

O objetivo deste módulo é analisar medidas de a de sistemas formados por uma camada FM acoplada a diferentes metais e confrontá-las com as respectivas medidas de ISHE. A atividade envolve o processo de fabricação das amostras por  deposição dos filmes finos, usando a técnica de sputtering, e medidas magnéticas com uso de magnetometria magneto-óptica, medidas de ressonância ferromagnética e da voltagem do efeito ISHE.

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