Motor diamétrico engana Terceira Lei de Newton e trapaceia Mecânica Quântica

Com informações da New Scientist - 01/11/2013

Motor diamétrico é construído enganando a Terceira Lei de Newton

Os pulsos de luz adquirem massa efetiva - quando um deles tem massa efetiva negativa, eles vão na mesma direção quando se chocam. [Imagem: New Scientist]

Isaac Newton acaba de ser trapaceado e a mecânica quântica ignorada.
Pulsos de laser girando em circuitos de fibra óptica aceleram a si mesmos, parecendo quebrar a lei da física de que toda ação deve ter uma reação igual e oposta.
Isso cria na prática um tipo de "motor" em que duas partículas se chocam e, ao invés de se afastarem, vão na mesma direção, produzindo uma aceleração "eterna".
Apesar de se basear em um truque - a luz age como se tivesse massa - o experimento poderá ter efeitos muito práticos, como telecomunicações mais confiáveis e circuitos eletrônicos mais rápidos.

Motor diamétrico
De acordo com a terceira lei de Newton sobre o movimento, quando uma bola de bilhar bate em outra, ambas se movimentam para longe uma da outra.
Mas se uma das bolas de bilhar tivesse uma massa negativa, quando as duas bolas colidissem, elas iriam acelerar na mesma direção.
Este efeito poderia ser útil em um motor diametral, ou motor diamétrico, um mecanismo especulativo no qual a massa negativa e a positiva interagiriam para acelerar para sempre.
A NASA pesquisou o uso desse efeito na década de 1990, em uma tentativa de criar um novo sistema de propulsão para naves espaciais.
Mas havia um grande problema: a mecânica quântica estabelece que a matéria não pode ter massa negativa. Mesmo a antimatéria, que consiste em partículas com cargas e spins opostos aos de seus homólogos materiais normais, tem massa positiva.
Nas equações da teoria quântica de campos, todos os termos envolvem quadrados da massa, de modo que qualquer massa negativa se torna positiva de qualquer maneira.

Massa efetiva
Agora, Martin Wimmer e seus colegas da Universidade de Erlangen-Nuremberg, na Alemanha, eliminaram esse empecilho e construíram um motor diamétrico usando uma "massa efetiva".
Quando um material diminui a velocidade de um pulso de luz que o atravessa, proporcionalmente à sua energia, esse pulso se comporta como se tivesse massa - essa é a chamada massa efetiva.
Dependendo da forma das ondas de luz e da estrutura do cristal que elas atravessam, os pulsos de luz podem ter uma massa efetiva negativa.
Mas fazer com que tal pulso interaja com outro pulso com uma massa efetiva positiva exige um cristal tão longo que ele iria absorver a luz antes que os dois pulsos pudessem mostrar o efeito diamétrico.

Ainda que não resulte em motores espaciais com aceleração eterna, o truque pode ter efeitos práticos reais. [Imagem: Martin Wimmer et al./Nature Physics]

Para contornar mais esse problema, Wimmer juntou dois círculos de fibra óptica, criando um caminho infinito para pulsos de laser. Os pulsos se dividem entre os loops em um ponto de contato, e a luz continua se movendo em torno de cada volta na mesma direção.
A chave para isso é que um loop é ligeiramente mais longo do que o outro, de forma que a luz que circula por ele fica retardada em relação à luz que circula no outro.
Quando esse pulso retardado volta ao ponto de contato e se divide, ele compartilha alguns de seus fótons com o pulso no outro loop. Depois de algumas voltas, os dois pulsos desenvolvem um padrão de interferência que lhes dá massa efetiva.

A equipe criou pulsos com massa efetiva positiva e negativa, demonstrando na prática um motor diamétrico, ou diametral, passando uma rasteira em Newton e na mecânica quântica de uma vez só.
Os pesquisadores fazem questão de ressaltar que "nenhuma lei foi quebrada", embora os efeitos façam parecer assim.

Aceleração dos elétrons
Ainda que isto não resulte em motores espaciais com aceleração eterna, o truque pode ter efeitos práticos reais.
Os elétrons circulando nos semicondutores também podem ter massa efetiva, de modo que os loops podem ser usados para fazê-los acelerar, aumentando a velocidade de processamento dos computadores.

Por que a velocidade do silício não é mais suficiente

E, em algumas fibras ópticas, a velocidade de um pulso de luz é equivalente ao seu comprimento de onda, o que significa que os loops podem ser usados para controlar a cor de saída de uma fibra - seu comprimento de onda.

A técnica também poderá aumentar a largura de banda das comunicações ópticas ou até mesmo ajudar a criar telas a laser, segundo os pesquisadores.
Tudo isso, é claro, em teoria, já que não será fácil adaptar as laçadas de fibras ópticas para fins práticos.

Bibliografia:

Optical diametric drive acceleration through action-reaction symmetry breaking
Martin Wimmer, Alois Regensburger, Christoph Bersch, Mohammad-Ali Miri, Sascha Batz, Georgy Onishchukov, Demetrios N. Christodoulides, Ulf Peschel- Nature Physics- Vol.: Published online- DOI: 10.1038/NPHYS2777

Ondas e Particulas - 20min.

CPBR6 As Maravilhas da Nanoparticulas - 69min.

Energia

Descoberta uma nova quasipartícula, o Leviton

Redação do Site Inovação Tecnológica - 06/11/2013

Leviton - Descoberta uma nova quasipartícula

Esquema do dispositivo usado para criar e detectar os levitons.

As quasipartículas aparecem como picos criados na superfície do metal,

sendo detectadas pelos eletrodos no ponto central.[Imagem: IRAMIS/CEA]

Leviton
Físicos da França e da Suíça identificaram pela primeira vez um novo tipo de quasipartícula.
O leviton é formado quando se injeta energia em um elétron individual, que então se destaca do mar de partículas onde ele existe normalmente, e passa a navegar sozinho.
Em condições normais, tão logo se excita um elétron na superfície de um metal, a "manada" inteira sai correndo, gerando uma corrente elétrica, e não uma quasipartícula individual.
A melhor analogia para o leviton é uma onda do mar que se destacasse na superfície do mar e prosseguisse por conta própria, independentemente das demais ondas.
O nome leviton foi dado em homenagem ao físico Leonid Levitov, que previu a possibilidade da criação da quasipartícula em 1996, e segue a nomenclatura usada para os solitons.
A criação do leviton significa que é possível usar elétrons individuais para transportar e processar informações quânticas, de forma similar à que se emprega fótons para transmitir informações em circuitos ópticos - a informação não seria transportada por ondas de luz, mas, por assim dizer, por ondas de matéria.

Onda eletrônica individual
Os elétrons normalmente existem naquilo que os físicos descrevem como um "mar de Fermi" de partículas.
Quando eles são excitados - ou seja, recebem energia - eles saltam desse mar de Fermi, deixando para trás as lacunas, quasipartículas representantes de uma carga positiva, criadas na saída dos elétrons energizados.
O que Levitov descobriu, e agora foi confirmado experimentalmente, é que é possível excitar um único elétron, que sai sem criar lacunas - não gerando, assim, uma corrente elétrica.
Ao ser gerada, essa onda independente propaga-se pelo material obedecendo às leis da mecânica quântica, caracterizando uma quasipartícula - o leviton.
Os levitons têm a mesma massa efetiva que os elétrons, e interagem da mesma forma com os campos eletromagnéticos.

O experimento essencialmente cria uma fonte de elétrons individuais, equivalente aos geradores de fótons individuais usados em experimentos de comunicações e computação quântica.

Bibliografia:
Minimal-excitation states for electron quantum optics using levitons
J. Dubois, T. Jullien, F. Portier, P. Roche, A. Cavanna, Y. Jin, W. Wegscheider, P. Roulleau, D. C. Glattli - Nature Vol.: Published online - DOI: 10.1038/nature12713