Selecionamos para a 3ª 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) Análise magnética de materiais por espectroscopia Mössbauer
2) Aspectos experimentais da informação quântica via RMN
3) Caracterização de nanoestruturas por microscopia eletrônica
4) Desenvolvimento de instrumentação científica para aquisição e processamento de sinais em alta velocidade
5) Dinâmica da magnetização de mHz a GHz
6) Espectroscopia e nanoscopia de interfaces
7) Instrumentação em física de partículas
8) Magnetismo em bactérias e insetos sociais
9) Nanoestruturas para aplicação em hipertermia magnética
10) Sistemas mesoscópicos supercondutores
11) Superfícies e nanoestruturas para aplicação em biomateriais

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.

Elisa Baggio Saitovitch (Pesquisadora colab. CBPF), Henrique Saitovitch (Pesquisador colab. CBPF), Magda B. Fontes (Pesquisadora CBPF), Mariella Alzamora Camarena (Profa. UFRJ/Xerém) e Rosa Scorzelli (Pesquisadora colab. CBPF)

A descoberta do efeito Mössbauer foi realizada em 1957 pelo pesquisador alemão Rudolf Mössbauer durante sua tese de doutorado, e em 1961 ele recebeu o prêmio Nobel pela descoberta e explicação da "emissão e absorção de radiação nuclear sem recuo". Devido à importância que este efeito adquiriu em estudos de interações hiperfinas em sistemas atômicos/moleculares, surgiu a espectroscopia Mössbauer (EM). Apesar da existência de cerca de 40 isótopos adequados a esta espectroscopia, os mais usados são o ⁵⁷Fe e o ¹¹⁹Sn. A espectroscopia Mössbauer é uma técnica nuclear multipropósito que se aplica 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.

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. Faremos o estudo do composto intermetálico ferromagnético de [Ce(Ru,1%⁵⁷Fe)₂Ge₂] e de nanopartículas de óxido de ferro através da EM em função de temperatura. A preparação das amostras também será parte das atividades do curso. Será ministrada uma aula sobre arqueometria através do uso da EM, para exemplificar o potencial da técnica em diferentes áreas do conhecimento. Apresentaremos ainda a técnica de correlação angular perturbada que também utiliza radiação nuclear para o estudo de interações hiperfinas em materiais.

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.

André Linhares (Pesquisador CBPF) e André Pinto (Pesquisador CBPF) 

Este módulo será uma imersão na caracterização de nanoestruturas por microscopia eletrônica. A proposta é conjugar a apresentação da teoria envolvida com práticas de laboratório de modo que o participante possa aplicar diretamente os conhecimentos adquiridos. Os alunos deverão caracterizar duas diferentes amostras nanoestruturadas através das diferentes técnicas abordadas no curso. Inicialmente serão abordadas as fontes de elétrons, lentes de elétrons e interação elétron-amostra. Posteriormente o funcionamento de um microscópio eletrônico de varredura (MEV) será detalhado, buscando-se abordar os diversos parâmetros de controle usualmente disponíveis. A seguir, será abordada a teoria de espectroscopia de raios x por dispersão de energia (EDS). A partir do conhecimento destas técnicas, os alunos poderão caracterizar a morfologia e composição, explorando o controle dos diversos parâmetros de operação nos resultados obtidos. O tema seguinte será a difração de elétrons retroespalhados (EBSD) e suas capacidades analíticas. Para finalizar as técnicas de varredura, as capacidades de desbaste de amostras com um feixe de íons focalizados serão exploradas; serão então realizadas observações na seção transversal de nanoestruturas e amostras para posterior análise por microscopia eletrônica de transmissão (MET). A partir daí o foco estará no MET, inicialmente com a teoria básica de formação de imagem e a seguir com sua capacidade analítica tanto de difração como de composição química por EDS e EELS. As amostras preparadas serão então analisadas dando especial atenção à complementaridade entre as diversas técnicas estudadas na resposta às mais diferentes perguntas científicas em nanociências e nanotecnologia.

Herman Lima Jr. (Tecnologista CBPF) 

A tecnologia de dispositivos semicondutores avançou dramaticamente nas últimas décadas, possibilitando hoje o projeto de circuitos digitais complexos em um único dispositivo. Dentre as tecnologias mais flexíveis e modernas, estão os dispositivos lógicos programáveis - CPLDs e FPGAs. Circuitos podem ser alterados e reprogramados no chip indefinidamente, reduzindo custos e tempo na finalização do produto. Aplicações frequentes dos FPGAs são sistemas para aquisição de dados e processamento de sinais.

Diego Ernesto González-Chávez (Pós-doc CBPF) e Rubem L. Sommer (Pesquisador CBPF)

Neste módulo serão apresentados os vários aspectos dos processos de magnetização de materiais nanoestruturados na faixa de frequência entre mHz e 24GHz. Além dos fenômenos básicos envolvidos nestes processos, os alunos receberão formação em técnicas de medida da magnetização e indução magnética, detecção de ruído Barkhausen (associado movimento de paredes de domínios), magnetoimpedância e magnetometria em micro-ondas por pulsos ou analisadores de rede vetoriais. Serão discutidos fenômenos como spin pumping e damping na faixa de micro-ondas, assim como presentados tópicos recentes de pesquisa na área.

Emilia Annese (Pesquisadora colab. CBPF) e Fernando Stavale (Pesquisador CBPF)

Este módulo será dedicado ao estudo do crescimento e caracterização química e morfológica de filmes ultrafinos de óxidos metálicos decorados com nanoaglomerados metálicos. Nestes sistemas, os modos de crescimento dos filmes e de formação das interfaces depende criticamente da interação físico-química do depósito-substrato. A energia livre de superfície e a estrutura atômica das interfaces determinam a morfologia do sistema e finalmente suas propriedades funcionais. Neste módulo iremos abordar aspectos teóricos e experimentais envolvendo fenômenos físicos que o ocorrem em interfaces que afetam diretamente sua formação. Alguns dos tópicos que discutiremos incluem, reconstruções de superfície, modos de crescimento de filmes finos, estabilidade química, 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 de raios x e microscopia de força atômica serão introduzidas do ponto de vista prático e teórico.

André Massafferri (Pesquisador CBPF), Arthur Moraes (Pesquisador CBPF), Gilvan Augusto Alves (Pesquisador CBPF), Luis Mendes (LIP) 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.

Este módulo do curso apresentará teoria e prática da física dos detectores de partículas e radiações, instrumentos indispensáveis à 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. Realizarão de forma completa as medidas do fluxo e velocidade que múons cósmicos incidem na superfície da Terra bem como medirão sua vida-média, utilizando técnicas de física de altas energias. O módulo também abordará física de aceleradores e prevê a análise de dados reais do experimento CMS/LHC.

Daniel Acosta-Avalos (Pesquisador CBPF) e Odivaldo Cambraia Alves (Prof. IQ-UFF)

Neste curso serão estudados os fenômenos da magnetotaxia de bactérias magnéticas e a magnetorecepção de insetos sociais. No estudo da magnetotaxia serão coletadas bactérias magnéticas na praia da Urca e utilizadas as técnicas de microscopia ótica e digital na observação das mesmas. O movimento será filmado nestes microscópios e a análise digital de vídeos será feita através do programa ImageJ, seguido da discussão dos modelos matemáticos envolvidos na análise do movimento de micro-organismos magnéticos. No caso da magnetorecepção, os modelos usados serão a formiga Solenopsis e a abelha Apis mellifera. Estudaremos a magnetização do corpo destes insetos usando a ressonância paramagnetica eletronica e a magnetometria SQUID, analisando as diferentes partes do corpo e comparando depois para descobrir qual parte apresenta a maior magnetização relativa.

Flávio Garcia (Pesquisador CBPF), Luiz Augusto Sousa de Oliveira (Prof. UFRJ/Xerém), Pablo Bernardo (Pós-doc CBPF), Priscilla Finotelli (Profa. Farmácia/UFRJ) e Richard Caraballo (Pós-doc CBPF)

Nos últimos anos, a hipertermia magnética está sendo estudada uma alternativa no tratamento do câncer. Genericamente, a hipertermia consiste no aquecimento do corpo ou de uma região sob tratamento. Quantitativamente, a grandeza que expressa a eficiência da nanopartícula para fins de hipertermia é o SAR (Specific Absorption Rate).

Isso tem despertado um enorme interesse científico, tanto do ponto de vista fundamental, onde, por exemplo, aspectos relativos aos processos relacionados à dinâmica de entrega de calor por nanopartículas vêm tendo destaque, além, obviamente, de um grande interesse do ponto de vista aplicado, sobretudo na busca por novos materiais magnéticos para este tipo de aplicação. A maioria destes estudos é focada no desenvolvimento de nanopartículas superparamagnéticas (SP) mais eficientes e que possibilitem um controle fino da quantidade de calor entregue. No superparamagnetismo, as nanopartículas ferromagnéticas (ou ferrimagnéticas) devem apresentar um único domínio magnético. Neste regime, a curva de magnetização em função do campo magnético não apresenta histerese, ou seja, a coercividade é nula. Porém, superparamagnetos apresentam baixo SAR, quando comparados a partículas fora deste regime. Isso decorre do fato dos principais mecanismos de aquecimento envolvidos em sistemas SP serem as relaxações de Nèel e de Brown; ao passo que, materiais magnéticos convencionais, apresentarem, além destes, também as perdas histeréticas como um dos principais meios de aquecimento.

Contudo, materiais onde as perdas histeréticas estão presentes, maior também será a remanência do material, ou seja, maior a energia dipolar magnética associado, aumentando o potencial de aglomeração das nanopartículas, o que, definitivamente, não é desejado para fins de aplicações biomédicas, impondo sérias restrições ao seu uso para aplicações em hipertermia. Com isso, fica claro que uma das estratégias para aumentar o SAR não é simplesmente aumentar a área do ciclo de histerese. A questão importante é: Como utilizar as perdas histeréticas para aumentar o SAR sem detrimento da remanência nula?

Visando contornar este problema, uma alternativa seria o uso de nanopartículas em uma configuração magnética tipo vórtice, onde os momentos atômicos são coplanares e tangenciais a círculos concêntricos. Neste caso, a curva de histerese tem uma forma bastante peculiar. Embora este sistema não apresente remanência, as perdas histeréticas são acentuadas, sobretudo, nos lóbulos relacionados à aniquilação e nucleação do núcleo do vórtice

Eduardo M. Bittar (Pesquisador CBPF), João Paulo Sinnecker (Pesquisador CBPF) e Tobias Micklitz (Pesquisador CBPF)

Sistemas mesoscópicos encontram-se em uma escala de tamanho intermediária entre o macro e o microscópico, sendo importantes para entender os limites entre essas duas escalas e também por apresentarem diversos novos fenômenos físicos que não ocorrem nas escalas maior e menor. Muitas das leis físicas usuais que regem os sistemas macroscópicos não valem na escala mesoscópica, o que acaba fixando um limite de quão pequenos dispositivos eletrônicos podem ser. Por outro lado, sistemas mesoscópicos permitem ideias para novos dispositivos, pois efeitos quânticos começam a desempenhar um papel significativo nas propriedades de transporte elétrico.

O fenômeno da supercondutividade foi primeiramente observado em 1911, no mercúrio metálico, cuja resistividade elétrica torna-se nula em baixas temperaturas. Posteriormente em 1933 descobriu-se que nesse estado supercondutor o material tem a propriedade de repelir campos magnéticos externos, podendo gerar o efeito de levitação magnética. Nesses materiais os portadores de carga são os pares de Cooper, e não elétrons livres como nos condutores normais.

Quando colocado em contato com um supercondutor, um sistema não-supercondutor normal adquire algumas das propriedades do supercondutor. Isso ocorre, pois, os pares de Cooper do supercondutor podem difundir para o material normal, diminuindo a densidade dos pares de Cooper na superfície do supercondutor e induzindo uma fraca supercondutividade na superfície do material não-supercondutor. Esse efeito de proximidade é responsável pela ampliação de uma série de efeitos de interferência quântica nos chamados sistemas híbridos mesoscópicos (que são parte material normal e parte supercondutor). No caso de um sistema mesoscópico contendo dois supercondutores que são separados por uma barreira não-supercondutora fina, pode-se observar uma corrente de tunelamento de pares de Cooper. Os efeitos resultantes do tunelamento de pares são coletivamente chamados de efeitos Josephson e são fundamentalmente distintos dos processos de partícula única.

Neste módulo iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais relacionadas ao fenômeno da supercondutividade em sistemas mesoscópicos. Os alunos irão produzir amostras usando processos de litografia e deposição de filmes finos a fim de obterem sistemas híbridos para verificação do efeito Josephson. Os estudantes deste módulo irão participar de todas as etapas, desde a fabricação e caracterização até as análises das medidas com base nos conceitos teóricos apresentados durante o módulo.

Alexandre Mello de Paula Silva (Tecnologista CBPF), Carlos Soriano (Pós-doc CBPF), Elvis Oswaldo Lopez Meza (Pós-doc CBPF), Fabio Borges (Prof. IF-UFF), Fabrício Frizera Borghi (Pós-doc CBPF) e Gabriela Cerqueira Gomes (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 de fosfato de cálcio com substituições catiônicas de interesse biológico, através da manipulação da energia entregue pelo plasma formado durante a deposição dos filmes por magnetron sputtering em ângulo reto (RAMS) e pela técnica de deposição por laser pulsado (PLD) para compostos de fosfatos, nitretos ou carbetos. Desta forma serão produzidos filmes estequiométricos e não estequiométricos, assim como filmes cristalinos e nanoestruturados com aplicação em implantes metálicos e poliméricos de uso médico.