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Físicos de Princeton desvendam segredos do magnetismo cinético

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Físicos de Princeton desvendam segredos do magnetismo cinético

Pesquisadores da Universidade de Princeton fizeram um grande avanço na compreensão do magnetismo cinético ao usar átomos ultrafrios em uma rede feita a laser para criar imagens de um novo tipo de polaron, revelando como o movimento de impurezas na matriz atômica causa forte magnetismo em altas temperaturas. Crédito: SciTechDaily.com

Físicos de Universidade de Princeton Eles visualizaram diretamente o objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron.

Nem todos os ímãs são iguais. Quando pensamos em magnetismo, geralmente pensamos em ímãs que grudam na porta da geladeira. Para estes tipos de ímanes, as interações eletrónicas que dão origem ao magnetismo são compreendidas há cerca de um século, desde os primórdios da mecânica quântica. Mas existem muitas formas diferentes de magnetismo na natureza e os cientistas ainda estão a descobrir os mecanismos que as impulsionam.

Agora, físicos da Universidade de Princeton fizeram progressos significativos na compreensão de uma forma de magnetismo conhecida como magnetismo cinético, usando átomos ultrafrios ligados a uma rede artificial feita com laser. Suas experiências são narradas em um artigo de pesquisa publicado esta semana na revista naturezaIsso permitiu aos pesquisadores obter imagens diretas do objeto microscópico responsável por esse magnetismo, um tipo incomum de polaron, ou quasipartícula, que aparece em um sistema quântico em interação.

Compreendendo o magnetismo cinético

“Isso é muito emocionante”, disse Waseem Bakr, professor de física na Universidade de Princeton e principal autor do estudo. “As origens do magnetismo têm a ver com o movimento de impurezas na matriz atômica, daí o nome Cinética Magnetismo. Este movimento é altamente incomum e resulta em forte magnetismo mesmo em temperaturas muito altas. Combinado com a possibilidade de ajustar o magnetismo com dopagem – adição ou remoção de partículas – o magnetismo cinético é muito promissor para aplicações de dispositivos em materiais reais.

Bakr e sua equipe estudaram esta nova forma de magnetismo com um nível de detalhe não alcançado em pesquisas anteriores. Graças ao controle fornecido pelos sistemas atômicos ultrafrios, os pesquisadores conseguiram, pela primeira vez, visualizar a física precisa que dá origem ao magnetismo cinético.

Origens microscópicas magnéticas

Pesquisadores da Universidade de Princeton visualizaram diretamente as origens microscópicas de um novo tipo de magnetismo. Crédito da imagem: Max Pritchard, coleção Waseem Bakr da Universidade de Princeton

Ferramentas avançadas para descobertas quânticas

“Temos a capacidade em nosso laboratório de analisar este sistema individualmente milho “Os pesquisadores estão monitorando o nível de um único local na rede e tirando fotos das correlações quânticas precisas entre as partículas do sistema”, disse Baker.

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Durante vários anos, Bakr e sua equipe de pesquisa estudaram estados quânticos fazendo experiências com partículas subatômicas ultrafrias conhecidas como férmions em uma câmara de vácuo. Eles criaram um dispositivo sofisticado que resfria átomos a temperaturas criogênicas e os mantém em cristais artificiais conhecidos como redes ópticas criadas com feixes de laser. Este sistema permitiu aos investigadores explorar muitos aspectos interessantes do mundo quântico, incluindo o comportamento emergente de grupos de partículas em interação.

Fundamentos teóricos e insights experimentais

Um dos primeiros mecanismos teoricamente propostos para o magnetismo que lançou as bases para os experimentos atuais da equipe é conhecido como ferromagnetismo de Nagaoka, em homenagem ao seu descobridor Yosuke Nagaoka. Ferromagnetos são aqueles em que todos os estados de spin do elétron apontam na mesma direção.

Embora um ferromagneto com spins alinhados seja o tipo mais comum de ímã, no cenário teórico mais simples, os elétrons que interagem fortemente na rede tendem, na verdade, ao antiferromagnetismo, com os spins se alinhando em direções alternadas. Essa preferência em resistir ao alinhamento dos spins vizinhos ocorre como resultado do acoplamento indireto dos spins de elétrons vizinhos, conhecido como supertroca.

No entanto, Nagaoka teorizou que o ferromagnetismo também pode resultar de um mecanismo completamente diferente, determinado pelo movimento de impurezas adicionadas intencionalmente, ou dopagem. Isto pode ser melhor compreendido imaginando uma rede quadrada bidimensional, onde cada sítio da rede é ocupado por um elétron, exceto um. Um site desocupado (ou buraco semelhante) percorre a rede.

Nagaoka descobriu que se o buraco se move em um ambiente com spins paralelos ou ferromagnetos, os diferentes caminhos do movimento do buraco quântico interferem mecanicamente entre si. Isso aumenta a propagação do buraco quântico para fora do local e reduz a energia cinética, o que é um resultado positivo.

O Legado Nagaoka e a Mecânica Quântica Moderna

A teoria de Nagaoka rapidamente ganhou reconhecimento porque havia poucas provas rigorosas que afirmavam explicar os estados fundamentais de sistemas de elétrons em forte interação. Mas monitorizar as consequências através de experiências foi um desafio difícil devido aos requisitos rigorosos do modelo. Em teoria, as reações deveriam ser infinitamente fortes e apenas um dopante é permitido. Ao longo das cinco décadas após Nagaoka ter proposto a sua teoria, outros investigadores perceberam que estas condições irrealistas poderiam ser significativamente atenuadas em redes com geometria triangular.

Experimento quântico e seus efeitos

Para conduzir o experimento, os pesquisadores usaram vapores de átomos de lítio-6. Este isótopo de lítio possui três elétrons, três prótons e três nêutrons. “O número total ímpar torna este isótopo fermiônico, o que significa que os átomos se comportam de forma semelhante aos elétrons em um sistema de estado sólido”, disse Benjamin Spar, estudante de graduação em física na Universidade de Princeton e coautor do estudo.

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Quando esses gases são resfriados usando lasers a temperaturas extremas de apenas alguns bilionésimos de grau Zero absolutoSeu comportamento começa a obedecer aos princípios da mecânica quântica, em vez da mecânica clássica, mais familiar.

Explorando estados quânticos por meio de configurações de átomos frios

“Assim que alcançarmos esse sistema quântico, a próxima coisa que faremos é carregar os átomos na rede óptica triangular”, diz Spar. “Em uma configuração de átomo frio, podemos controlar a rapidez com que os átomos se movem ou com que intensidade eles interagem com cada um. outro.”

Em muitos sistemas altamente interagentes, as partículas na rede são organizadas num “isolante de morte”, um estado da matéria em que uma única partícula ocupa cada local da rede. Neste caso, existem interações ferromagnéticas fracas devido à troca supérflua entre os spins dos elétrons em locais adjacentes. Mas em vez de usar um tampão de morte, os investigadores usaram uma técnica chamada “enxerto”, que remove algumas moléculas, deixando assim “buracos” na malha, ou adiciona moléculas adicionais.

Descobrindo novas formas de magnetismo quântico

“Não começamos com uma semente por local em nosso experimento”, disse Baker. “Em vez disso, cobrimos a rede com buracos ou moléculas. E quando você faz isso, descobre que existe uma forma de magnetismo muito mais forte que é observada nesses sistemas em uma escala de energia mais alta do que o magnetismo de supertroca usual. Esta escala de energia tem tem a ver com átomos saltando na rede.”

Aproveitando as distâncias maiores entre os locais da rede nas redes ópticas em comparação com os materiais reais, os pesquisadores conseguiram ver o que estava acontecendo no nível de um único local usando microscopia óptica. Eles descobriram que os objetos responsáveis ​​por esta nova forma de magnetismo são um novo tipo de pólo magnético.

O papel dos polarons em sistemas quânticos

“Um polaron é uma quasipartícula que aparece em um sistema quântico com muitos componentes interagindo”, disse Baker. “Ele se comporta de maneira muito semelhante a uma partícula normal, o que significa que possui propriedades como carga, spin e massa efetiva, mas não é uma partícula real como um átomo. Nesse caso, é um material dopante que se move com uma perturbação em seu ambiente magnético. , ou como os giros estão alinhados em torno deles em relação uns aos outros.

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Em materiais reais, esta nova forma de magnetismo já havia sido observada nos chamados materiais moiré, compostos de cristais 2D empilhados, e isso aconteceu apenas no ano passado.

Investigue mais profundamente o magnetismo quântico

“As sondas de magnetismo disponíveis para estes materiais são limitadas. Experimentos com materiais moiré mediram os efeitos macroscópicos associados à forma como um grande pedaço de material responde quando um campo magnético é aplicado”, disse Spar. “Com a configuração do átomo frio, podemos. aprofundar-se nas microestruturas físicas responsáveis ​​pelo magnetismo. Capturamos imagens detalhadas que revelam as correlações em torno do doping móvel. Por exemplo, uma borda cheia de buracos envolve-se com spin anti-alinhamento à medida que se move, enquanto uma partícula melhorada faz o oposto, cercando-se com spin coerente.

Esta pesquisa tem implicações de longo alcance para a física da matéria condensada, indo além da compreensão da física do magnetismo. Por exemplo, levantou-se a hipótese de que versões mais complexas destes polarons dão origem a mecanismos de acoplamento de dopagem de buracos, o que poderia levar à supercondutividade a altas temperaturas.

Direções futuras na pesquisa de magnetismo quântico

“A parte mais interessante desta pesquisa é que ela realmente coincide com estudos na comunidade da matéria condensada”, disse Max Pritchard, estudante de graduação e coautor do artigo. “Estamos numa posição única para fornecer informações oportunas sobre um problema de um ângulo completamente diferente, e todas as partes serão beneficiadas.”

Olhando para o futuro, os investigadores já estão a descobrir formas novas e inovadoras de explorar ainda mais esta estranha nova forma de magnetismo – e investigar a polaridade do spin com mais detalhe.

Próximos passos na pesquisa Polaron

“Nesta primeira experiência, simplesmente tiramos fotos do polaron, o que é apenas o primeiro passo”, disse Pritchard. “Mas agora estamos interessados ​​em realizar uma medição espectroscópica dos polarons. Queremos ver quanto tempo os polarons sobrevivem no sistema em interação, para medir a energia que liga os componentes do polaron e sua massa efetiva à medida que se propagam na rede. Há muito mais o que fazer.”

Outros membros da equipe são Zoe Yan, agora em Universidade de Chicagoe os teóricos Ivan Moreira, da Universidade de Barcelona, ​​​​Espanha, e Eugene Demmler, do Instituto de Física Teórica de Zurique, Suíça. O trabalho experimental foi apoiado pela National Science Foundation, pelo Army Research Office e pela David and Lucile Packard Foundation.

Referência: “Imagem direta de pólos de spin em um sistema Hubbard cineticamente frustrado” por Max L. Pritchard, Benjamin M. Spar, Ivan Moreira, Eugene Demmler, Zoe Z. Yan e Wasim S. Bakr, 8 de maio de 2024, natureza.
doi: 10.1038/s41586-024-07356-6

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Um vazamento contínuo de hélio está causando atrasos adicionais para a espaçonave Starliner da Boeing

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Um vazamento contínuo de hélio está causando atrasos adicionais para a espaçonave Starliner da Boeing

Lançamento do avião Boeing A espaçonave Starliner já foi adiada A cápsula será adiada por pelo menos mais quatro dias, da próxima terça-feira até 25 de maio, devido ao trabalho em andamento para resolver preocupações sobre um pequeno vazamento de hélio no sistema de propulsão da cápsula, disseram autoridades na sexta-feira.

O comandante da missão Barry “Butch” Wilmore e a co-piloto Sunita Williams agora pretendem lançar da plataforma 41 na Estação da Força Espacial de Cabo Canaveral, na Flórida, às 15h09 EDT semanalmente a partir de sábado, e estabelecer um cais na Estação Espacial Internacional no dia seguinte. . Hoje, 26 de maio às 16h12

Os astronautas esperavam decolar no primeiro vôo de teste do veículo Starliner em 6 de maio, mas a contagem regressiva já começou. foram cancelados Devido a um problema na válvula de alívio de pressão de oxigênio no estágio superior do foguete Atlas 5 Centaur.

Uma cápsula da tripulação Boeing Starliner no topo do segundo estágio de um foguete Atlas 5 da United Launch Alliance no Complexo de Lançamento 41 na Estação da Força Espacial de Cabo Canaveral no início deste mês.

Aliança de Lançamento Unida


O Atlas 5, construído pela United Launch Alliance, foi transferido da plataforma para o Centro de Integração Vertical próximo da empresa, onde a válvula suspeita foi substituída e liberada para lançamento.

Um vazamento de hélio não relacionado foi observado no sistema de pressão do propelente do Starliner durante a contagem regressiva de lançamento original, mas permaneceu dentro dos limites seguros para o voo. Depois que o Atlas 5 e o Starliner foram devolvidos ao VIF para substituição da válvula de oxigênio, os gerentes decidiram examinar mais de perto o problema do hélio.

O vazamento foi descoberto nos tubos que compõem o coletor de hélio nº 2 dentro de um dos quatro conjuntos de “casinha de cachorro” espalhados pela parte externa do módulo de serviço em forma de cilindro do Starliner. Cada canil possui quatro motores Orbital Maneuver and Attitude Control – OMAC – e quatro jatos Mini Reaction Control.

O gás hélio comprimido é usado para empurrar o propelente para os motores do foguete em cada casa, bem como quatro poderosos motores de aborto de lançamento que só dispararão no caso de um problema catastrófico com o Atlas 5 em seu caminho para a órbita.

Os engenheiros apertaram os parafusos no flange onde o vazamento foi descoberto, bateram nas linhas e realizaram testes para determinar se o vazamento ainda estava lá. Enquanto isso, o lançamento foi redirecionado para 21 de maio.

Mas acontece que os testes revelaram que o vazamento ainda estava lá. Os gestores da missão consideraram uma série de opções para resolver o problema, mas decidiram na sexta-feira avançar para uma oportunidade de lançamento em 25 de maio, enquanto se aguardam revisões e análises de dados adicionais para mostrar que o vazamento, que atualmente está estável e dentro de limites aceitáveis, não irá piorar. Na viagem.

“Os testes de pressão… mostraram que o vazamento no flange é estável e não representaria um risco neste nível durante o voo”, disse a NASA em um blog. “Os testes também indicaram que o resto do sistema de propulsão está efetivamente bloqueado em todo o módulo do servidor.

“As equipes da Boeing estão desenvolvendo procedimentos operacionais para garantir que o sistema mantenha capacidade de desempenho suficiente e redundância adequada durante o voo. À medida que este trabalho continua, (os gerentes de missão) levarão os próximos dias para revisar os dados e procedimentos para tomar uma decisão final.” Antes de embarcar na contagem regressiva para a jornada.”

As espaçonaves Atlas 5 e Starliner estão atualmente alojadas no Vertical Integration Facility da United Launch Alliance, o edifício visto aqui atrás do foguete quando o propulsor foi colocado na plataforma de lançamento para decolagem no início deste mês.

Aliança de Lançamento Unida


Wilmore e Williams, ambos pilotos de teste veteranos da Marinha e astronautas com quatro viagens à estação entre eles, retornaram ao Johnson Space Center em Houston após o voo de 6 de maio para participar de simulações de voo adicionais. A expectativa é que eles retornem à Flórida na próxima semana.

Starliner é um dos dois navios tripulados comercialmente encomendados pela NASA após a retirada do programa de ônibus espaciais em 2011. A SpaceX ganhou um contrato de US$ 2,6 bilhões para desenvolver A nave espacial Crew Dragon da empresa A Boeing recebeu US$ 4,2 bilhões para desenvolver o Starliner.

A NASA queria espaçonaves de diferentes fabricantes para garantir que a agência ainda tivesse uma maneira de transportar astronautas para a estação espacial, mesmo que ocorresse um problema que encalhasse a balsa de uma empresa.

A SpaceX lançou sua primeira tripulação de dois homens em 2020. Desde então, a empresa lançou oito voos de rotação de tripulação patrocinados pela NASA para a estação, três missões de pesquisa comercial para o laboratório e um voo com financiamento privado para dois homens e duas mulheres. Para a órbita baixa da Terra. Ao todo, 50 pessoas voaram ao espaço a bordo dos Crew Dragons.

Willmore e Williams serão os primeiros astronautas a voar no Starliner após uma série de falhas técnicas que incluíram grandes problemas de software durante um vôo de teste inicial desenroscado em dezembro de 2019 e válvulas corroídas do sistema de propulsão que atrasaram uma segunda missão de teste desenroscada em maio de 2022.

Os engenheiros enfrentaram dúvidas sobre os conectores do chicote do pára-quedas e a fita protetora enrolada nos fios, representando um risco de incêndio de curto-circuito. O trabalho para corrigir esses e outros problemas atrasou o lançamento do primeiro beta para este mês.

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Ataque de raposa em Effingham, New Hampshire: uma pessoa ferida e uma raposa morta

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Ataque de raposa em Effingham, New Hampshire: uma pessoa ferida e uma raposa morta

Dois ataques de raposas ocorreram a cerca de 160 quilômetros de distância em New Hampshire na terça-feira. Um dos ataques ocorreu em Hollis, onde uma raposa raivosa atacou uma menina de 4 anos, enquanto outra atacou um casal no condado de Carroll. Elliott Edwards e Irene François estavam trabalhando no pátio de sua loja na manhã de terça-feira, quando uma raposa atacou repentinamente, vinda do nada. “Não havia absolutamente nada que pudéssemos fazer para impedir isso. Já estava acontecendo”, disse François. Aplicativo para atualizações em qualquer lugar: Apple | Google Play <

Dois ataques de raposas ocorreram a cerca de 160 quilômetros de distância em New Hampshire na terça-feira.

Um dos ataques ocorreu em Hollis, onde uma raposa raivosa atacou uma menina de 4 anos, enquanto outra atacou um casal no condado de Carroll.

Elliot Edwards e Irene François estavam trabalhando no pátio de sua loja na manhã de terça-feira, quando de repente, do nada, uma raposa atacou.

“Não havia absolutamente nada que pudéssemos fazer para impedir isso. Já estava acontecendo”, disse François.

>> Baixe o aplicativo WMUR gratuito para obter atualizações em qualquer lugar: Maçã | aplicativos do Google <

François disse que tudo aconteceu em menos de um minuto.

Eles estavam atrelando um trailer ao caminhão no terreno aberto da loja e a próxima coisa que perceberam foi que uma raposa estava presa ao braço de Edwards. Eles conseguiram afastar a raposa, mas ela os atacou novamente.

“Temos cerca de 80 acres. Você sabe, temos veados. Há pegadas de ursos. E vemos, você sabe, muita vida selvagem. E certamente nada agressivo”, disse François.

Depois de matar a raposa, François, que era enfermeiro há 20 anos, limpou o ferimento de Edwards com água, sabão e álcool e imediatamente o levou ao hospital.

Lá, Edwards recebeu seis vacinas contra a raiva e também precisou de três doses de reforço de acompanhamento. Autoridades da Pesca e Caça de New Hampshire disseram que é exatamente isso que qualquer pessoa deve fazer se encontrar qualquer animal selvagem potencialmente infectado com raiva.

“Realmente, o tempo é essencial”, disse o capitão Michael Eastman, da New Hampshire Fish and Game.

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A raiva é geralmente fatal e não há cura quando os sintomas aparecem.

Os animais infectados com raiva nesta época do ano geralmente a contraem enquanto estão em suas tocas durante o inverno, e leva até agora para que os sintomas apareçam, disse Eastman.

Edwards ainda se sente mal, mas ficará bem. François não ficou fisicamente ferido.

François disse que um guarda florestal levou a raposa para teste em Concord, e ela disse que lhe disseram que o teste da raposa deu positivo para raiva.

François disse que avistou duas outras raposas em sua propriedade e que ela e Edwards estão de olho nelas.

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Fotógrafos da Orbiter dão uma espiada na Estação Espacial Internacional

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Fotógrafos da Orbiter dão uma espiada na Estação Espacial Internacional

Uma vista da Estação Espacial Internacional em órbita vista por um satélite.
foto: Hugh Robôs

A Estação Espacial Internacional (ISS) foi flagrada parecendo um pouco deslocada em uma nova foto tirada por um satélite de imagens em órbita.

Esta semana, a HEO Robotics, com sede na Austrália Lançado Uma imagem da Estação Espacial Internacional como nunca vimos antes. A misteriosa imagem em preto e branco foi capturada por um dos satélites de imagem não terrestres da empresa, a apenas 43 milhas (69 quilômetros) da estação espacial de 356 pés (109 metros).

Uma imagem para um artigo intitulado Orbital Paparazzi dá uma espiada na Estação Espacial Internacional.

foto: Hugh Robôs

“As imagens não terrestres fornecem a melhor visão dos satélites no espaço”, escreveu HEO Robotics no site do X. A HEO Robotics fornece imagens de satélite de objetos em órbita, bem como serviços de inspeção de satélite para operadores governamentais e comerciais. A empresa fotografou mais de cem objetos depois que eles atingiram seus destinos orbitais e posteriormente usou seu software para identificar os objetos.

A empresa possui uma frota de 30 sensores em órbita baixa da Terra, que utiliza para obter imagens granuladas de satélites e naves espaciais que os orbitam.

No início de fevereiro, a HEO Robotics capturou uma foto de foto Vista do satélite de observação da Terra ERS-2 da Agência Espacial Europeia enquanto ele cai para uma morte violenta na atmosfera da Terra. Também nos deu os curiosos satélites da empresa Primeira olhada no satélite Starlink V2 da SpaceX em órbita.

Mas talvez nenhum outro objeto na órbita baixa da Terra seja tão famoso quanto a Estação Espacial Internacional, que é do tamanho de um campo de futebol americano e tem uma massa de cerca de 1 milhão de libras, segundo NASA. A estação espacial está em órbita há mais de 20 anos, orbitando nosso planeta a uma distância de 250 milhas (460 quilômetros).

Estamos acostumados a ver fotos da NASA da Estação Espacial Internacional deslizando graciosamente em sua órbita, parecendo uma fênix mecânica. Uma recente imagem de satélite da estação espacial é um bom lembrete de que ela é apenas uma estranha pilha de metal flutuando no espaço, fazendo o melhor que pode.

Para mais viagens espaciais em sua vida, siga-nos X Um marcador personalizado para o Gizmodo Página do voo espacial.

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