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A fotossíntese usa um processo surpreendentemente próximo a um condensador de Bose-Einstein

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A fotossíntese usa um processo surpreendentemente próximo a um condensador de Bose-Einstein

Você pode pensar que, dado o quão básica e onipresente é a fotossíntese, há muito tempo descobrimos como ela funciona. Em vez disso, as partes principais do processo permanecem um mistério. Novas pesquisas sugerem que uma dessas fases tem semelhanças impressionantes com os capacitores de exciton, algo que os físicos tiveram que fazer de tudo para produzir em laboratório.

O professor David Mazzotti, da Universidade de Chicago, dirige um laboratório que usa modelagem computacional para tentar entender a maneira como átomos e moléculas interagem em importantes processos químicos. Poucas dessas reações são tão vitais e comuns quanto a fotossíntese, na qual plantas e algas usam a energia da luz solar para produzir açúcares e amidos.

O processo começa com os fótons atingindo os elétrons soltos nas folhas, permitindo que tanto o elétron quanto o “buraco” onde estava a carga se movam através da cromofila (molécula de clorofila), transportando energia solar. Embora isso seja conhecido há muito tempo, Mazziotti e seus colegas relatam que grupos de elétrons, buracos e buracos nem sempre se movem como indivíduos.

Juntos, um elétron e seu buraco são conhecidos como éxciton e, quando vistos juntos, um elétron tem propriedades quânticas diferentes de cada um por conta própria. Um exciton é um bóson, por exemplo, enquanto um elétron e um buraco são ambos férmions. Ao modelar o comportamento de muitos excitons, em vez de cada um individualmente, os pesquisadores perceberam como seu comportamento era semelhante a um condensado de Bose-Einstein, que às vezes é conhecido como o “quinto estado da matéria” depois de sólidos, líquidos, gases e plasmas convencionais .

Os condensados ​​de Bose-Einstein permitem que grandes grupos de átomos exibam o tipo de comportamento quântico alucinante normalmente visto apenas no nível subatômico. Eles não apenas podem dispensar fenômenos universais como o atrito, mas também podem se envolver em atividades quânticas exóticas, como combinar comportamento de onda e partícula.

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Para produzir condensados ​​de Bose-Einstein, os cientistas precisam resfriar materiais ordenados a temperaturas um pouco acima do zero absoluto, mas as plantas estão fazendo algo semelhante fora de sua janela agora (se for dia). “A luz fotônica é coletada em um sistema à temperatura ambiente e, além disso, sua estrutura não é estruturada – ao contrário dos materiais amorfos originais e temperaturas frias que você usa para fazer condensadores de excitons”, disse Anna Skotin, primeira aluna de pós-graduação do estudo. a declaração.

A descoberta não foi feita antes, em parte porque os excitons vegetativos têm vida curta e geralmente se recombinam rapidamente. Além das baixas temperaturas, a recombinação do exciton pode ser atrasada com fortes campos magnéticos, mas é claro que as plantas também não os possuem.

“Até onde sabemos [photosynthesis and exciton condensates] A conexão não havia sido feita antes, então achamos isso muito atraente e empolgante”, disse Mazziotti.

Talvez ainda mais surpreendente, éxcitons que são coloridos por cromóforos não se tornam capacitores todos juntos. Em vez disso, as manchas, que os autores chamam de forma de “ilha”. No entanto, essas ilhas não são uma curiosidade alheia.

Um grupo folhoso de éxcitons. O artigo observa que “pode ​​faltar algumas das propriedades associadas à condensação macroscópica do exciton”, mas “é provável que retenha muitas vantagens, incluindo a transferência eficiente de energia”. Se assim fosse, tornaria a fotossíntese mais eficiente, contribuindo para a riqueza e abundância da vida. De fato, sob condições ideais, um condensado de exciton pode dobrar a taxa de transferência de energia em comparação com o que seria possível de outra forma.

Mesmo os supercomputadores lutam para modelar a complexidade do comportamento atômico e subatômico durante a fotossíntese, de modo que os modelos se tornam mais simplistas do que muitos outros cenários científicos. No entanto, Mazziotti adverte que o comportamento grupal é algo que não deve ser descartado. “Achamos que a correlação local de elétrons é essencial para capturar como a natureza funciona na realidade”, disse ele.

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O estudo é de acesso aberto em PRX Energia

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O lançamento inaugural do Ariane 6 está previsto para a primeira quinzena de julho

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O lançamento inaugural do Ariane 6 está previsto para a primeira quinzena de julho

WASHINGTON – O primeiro lançamento do foguete Ariane 6 está previsto para ocorrer na primeira quinzena de julho, quando o veículo tomar forma no local de lançamento na Guiana Francesa.

A Agência Espacial Europeia anunciou em 21 de maio que a equipe conjunta que trabalha no Ariane 6, incluindo a ESA, o contratante principal Ariane Group, o provedor de serviços de lançamento Arianespace e a agência espacial francesa CNES, espera que o lançamento inaugural do Ariane 6 ocorra nas primeiras duas semanas. de 2017. 2019. Julho.

Isso está no meio do prazo anunciado anteriormente pela ESA, entre meados de junho e o final de julho. A Agência Espacial Europeia disse que uma data específica, embora provisória, para o lançamento será anunciada no show aéreo ILA em Berlim, agendado para 5 a 9 de junho.

A atualização foi a primeira revisão da data de lançamento desde novembro de 2023, quando a ESA anunciou uma janela de meados de junho ao final de julho. As autoridades disseram anteriormente que forneceriam uma atualização sobre o lançamento após concluir uma revisão de qualificação programada para terminar no final de abril.

Na sua última atualização, a ESA afirmou que concluiu a revisão de qualificação em 29 de abril. Os trabalhadores também começaram a empilhar o foguete, anexando seus dois propulsores sólidos ao estágio central. O estágio superior e as cargas úteis serão instalados em junho, antes de um teste de abastecimento e contagem regressiva de treinamento, denominado ensaio molhado, agendado para 18 de junho.

Embora a Agência Espacial Europeia ainda não tenha fornecido uma atualização sobre as datas de lançamento do Ariane 6, executivos de dois grandes fornecedores disseram acreditar que o lançamento ocorreu dentro do cronograma. “Parece-me que estamos indo na direção certa para um voo em julho”, disse o CEO da Aveo, Giulio Ranzo, sobre o Ariane 6 em uma teleconferência de resultados em 9 de maio. A Avio produz os motores de foguete sólidos usados ​​nos propulsores Ariane 6.

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“Estamos muito confiantes de que o Ariane 6 será lançado dentro do período de lançamento conhecido, de meados de junho até o final de julho”, disse o CEO da OHB, Marco Fox, na teleconferência de resultados de sua empresa em 8 de maio. “Acho que os preparativos estão indo muito bem.”

Joseph Aschbacher, Diretor Geral da Agência Espacial Europeia, descreveu o primeiro lançamento do veículo Ariane 6 como “o grande evento do ano” para a Europa no domínio do espaço durante a sessão da trigésima nona sessão da conferência.sim Simpósio Espacial em abril. Um voo bem-sucedido do tão esperado Ariane 6 ajudaria a aliviar a “crise de lançamento” que forçou a Agência Espacial Europeia e a Comissão Europeia a comprar muitos lançamentos do Falcon 9 da SpaceX. Isto inclui o lançamento agendado para 28 de maio do EarthCARE, uma missão conjunta de ciências da Terra entre a ESA e a JAXA, a bordo de uma aeronave Falcon 9 da Base da Força Espacial de Vandenberg, na Califórnia.

Mas no Simpósio Espacial, Aschbacher estabeleceu expectativas para aquele primeiro voo. “Estatisticamente, há 47% de probabilidade de que o primeiro voo não seja bem-sucedido ou não corra exatamente como planejado”, disse ele, citando um histórico de primeiros lançamentos de novos veículos de lançamento de grande porte. “Faremos tudo o que pudermos para que seja uma viagem bem-sucedida, mas acho que é algo que devemos levar em consideração.”

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O Telescópio Espacial James Webb pode ter resolvido o mistério do planeta inchado. Veja como

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O Telescópio Espacial James Webb pode ter resolvido o mistério do planeta inchado.  Veja como

Um fornecimento surpreendentemente baixo de metano pode explicar como um planeta em torno de uma estrela próxima ficou estranhamente inchado, de acordo com novas observações da Agência Espacial Europeia. Telescópio Espacial James Webb (JWST). Os astrónomos dizem que os resultados mostram que as atmosferas planetárias podem aumentar de volume significativamente sem recorrer a teorias esotéricas sobre a formação planetária.

“Os dados de Webb dizem-nos que planetas como WASP-107 b não tiveram de se formar de uma forma estranha, com um núcleo muito pequeno e uma atmosfera gasosa massiva.” Michael LaneUm cientista de exoplanetas da Arizona State University disse em A declaração. “Em vez disso, poderíamos pegar algo mais parecido Netuno“Com muita rocha e pouco gás, basta aumentar a temperatura e depois aumentar e parece a mesma coisa.”

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Quebrando a velocidade da luz: o mistério do túnel quântico

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Quebrando a velocidade da luz: o mistério do túnel quântico

O tunelamento quântico permite que as partículas contornem as barreiras de energia. Foi proposta uma nova maneira de medir o tempo que as partículas levam para tunelar, o que pode desafiar afirmações anteriores sobre velocidades de tunelamento ultraleves. Este método envolve o uso de átomos como relógios para detectar diferenças horárias mínimas. Crédito: SciTechDaily.com

Num fenômeno surpreendente da física quântica conhecido como tunelamento, as partículas parecem se mover mais rápido que a velocidade da luz. No entanto, os físicos de Darmstadt acreditam que o tempo gasto pelas partículas no túnel foi medido incorretamente até agora. Eles propõem uma nova maneira de parar a velocidade das partículas quânticas.

Na física clássica existem leis estritas que não podem ser contornadas. Por exemplo, se uma bola rolante não tiver energia suficiente, ela não será capaz de subir a colina; Em vez disso, irá cair antes de atingir o pico. Na física quântica, este princípio não é totalmente estrito. Aqui, uma partícula pode atravessar uma barreira, mesmo que não tenha energia suficiente para atravessá-la. Ele se comporta como se estivesse deslizando por um túnel, razão pela qual esse fenômeno também é conhecido como “tunelamento quântico”. Longe de ser apenas uma mágica teórica, esse fenômeno tem aplicações práticas, como na operação de drives de memória flash.

Tunelamento quântico e relatividade

No passado, experiências com partículas mais rápidas que a luz atraíram alguma atenção. Afinal, a teoria da relatividade de Einstein proíbe velocidades mais rápidas que a da luz. A questão é, portanto, se o tempo necessário para o tunelamento foi devidamente “pausado” nesses experimentos. Os físicos Patrick Schach e Eno Giese, da Universidade de Darmstadt, seguem uma nova abordagem para determinar o “tempo” de uma partícula em túnel. Eles propuseram agora uma nova maneira de medir esse tempo. Em seu experimento, eles mediram isso de uma forma que acreditam ser mais adequada para a natureza quântica do tunelamento. Eles publicaram seu projeto de experimento na famosa revista Avanço da ciência.

Dualidade onda-partícula e tunelamento quântico

De acordo com a física quântica, pequenas partículas como átomos ou partículas de luz têm uma natureza dupla.

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Dependendo do experimento, eles se comportam como partículas ou como ondas. O tunelamento quântico destaca a natureza ondulatória das partículas. Um “pacote de ondas” rola em direção à barreira, semelhante ao fluxo de água. A altura da onda indica a probabilidade de uma partícula se materializar naquele local se sua posição fosse medida. Se um pacote de ondas atingir uma barreira de energia, parte dele será refletido. Porém, uma pequena porção penetra na barreira e existe uma pequena possibilidade de que a partícula apareça do outro lado da barreira.

Reavaliação da velocidade do túnel

Experimentos anteriores observaram que uma partícula de luz percorreu uma distância maior após o tunelamento do que uma partícula que tinha um caminho livre. Portanto, teria viajado mais rápido que a luz. No entanto, os pesquisadores tiveram que determinar a localização da partícula depois que ela passou. Eles escolheram o ponto mais alto do pacote de ondas.

“Mas a partícula não segue uma trajetória no sentido clássico”, objeta Eno Giese. É impossível determinar exatamente onde uma partícula estava em um determinado momento. Isto torna difícil fazer declarações sobre o tempo necessário para ir de A a B.

Uma nova abordagem para medir o tempo de tunelamento

Por outro lado, Shash Brief é guiado por uma citação de Albert Einstein: “Tempo é o que você lê no relógio”. Eles propõem usar a própria partícula do túnel como um relógio. A segunda partícula não gasta atua como referência. Ao comparar esses dois relógios naturais, é possível determinar se o tempo passa mais devagar, mais rápido ou na mesma velocidade durante o tunelamento quântico.

A natureza ondulatória das partículas facilita esta abordagem. A oscilação das ondas é como a oscilação de um relógio. Especificamente, Schach e Giese propõem o uso de átomos como relógios. Os níveis de energia dos átomos oscilam em certas frequências. Depois de abordar A milho Com um pulso de laser, seus níveis inicialmente oscilam de forma síncrona – o relógio atômico é iniciado. Durante o túnel, o ritmo muda ligeiramente. Um segundo pulso de laser faz com que as duas ondas internas do átomo se sobreponham. A detecção de interferência torna possível medir a distância entre duas ondas de nível de energia, o que por sua vez é uma medição precisa do tempo decorrido.

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Já o segundo átomo, que não é tunelado, serve de referência para medir a diferença de tempo entre cavar túneis e não cavar túneis. Os cálculos dos físicos sugerem que a partícula do túnel aparecerá um pouco mais tarde. “O relógio que foi escavado no túnel é um pouco mais antigo que o outro relógio”, diz Patrick Schach. Isto parece contradizer experiências que atribuíram a velocidade da luz à construção de túneis.

O desafio de implementar o experimento

Em princípio, o teste poderia ser feito usando a tecnologia atual, diz Schach, mas representa um enorme desafio para os experimentos. Isso ocorre porque a diferença de tempo a ser medida é de apenas cerca de 10-26 Segundos – um tempo muito curto. O físico explica que ajuda usar nuvens de átomos como relógios em vez de átomos individuais. Também é possível amplificar o efeito, por exemplo, aumentando artificialmente as frequências do clock.

“Atualmente estamos discutindo essa ideia com nossos colegas experimentais e em contato com nossos parceiros de projeto”, acrescenta Gizzi. É muito provável que a equipe decida em breve realizar este experimento emocionante.

Referência: “Teoria unificada dos tempos dos túneis promovida pelos relógios Ramsey” por Patrick Schach e Eno Giese, 19 de abril de 2024, Avanço da ciência.
doi: 10.1126/sciadv.adl6078

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