Selecionamos para a 5ª 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) Desenvolvimento de protótipos de sistemas IOT (Internet of Things)

3) Espectroscopia Mössbauer

4) Estudo do movimento de bactérias magnéticas

5) Instrumentação em física de partículas

6) Instrumentação para detecção de poucos fótons com eletrônica baseada em lógica programável (FPGA)

7) Materiais nanoestruturados para aplicação em células a combustível e magnetismo

8) Nanomagnetismo e spintrônica

9) Sistemas de elétrons fortemente correlacionados: redes de Kondo

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.

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.

Nilton Alves Jr. (Tecnologista CBPF)

Nas duas últimas décadas a troca de informações entre dispositivos e sensores tem transformado a vida das pessoas e também de laboratórios de pesquisa e desenvolvimento. Sistemas IOT (Internet of Things) são dispositivos inteligentes de coleta de dados (monitoramento), transferidos pela rede cabeada ou wireless (transmissão) para um sistema computacional capaz de dar o tratamento adequado (processamento) e assim ajudar na tomada de decisão (controle). O baixo custo, a liberdade e a modularidade do projeto, a facilidade de desenvolvimento, a rapidez na implementação e a simplicidade da operação caracterizam os protótipos deste tipo de sistema.

Este módulo terá uma parte teórica e conceitual e uma parte totalmente prática. As atividades teóricas serão no próprio Laboratório de IOT que possui infraestrutura para isto. Serão abordados os conceitos básicos de redes de computadores, de eletrônica, dos dispositivos e sensores, além dos princípios físicos envolvidos. Falaremos também da breve história e de exemplos práticos de pequena e larga escala. Em seguida a imersão no laboratório terá atividades práticas de projeto e desenvolvimento de protótipos IOT. Nesta etapa cada par de alunos desenvolverá um projeto próprio de um sistema de coleta de dados, transmissão, armazenagem, tratamento matemático e tomada de decisão utilizando computadores Raspberry PI, placas Arduino, sensores e atuadores variados e linguagens de programação C/C++, Python e Octave (análise de dados).

É esperado que ao final da escola o aluno tenha tido contato com este tipo de instrumentação e adquira capacidade de projetar e implementar sistemas IOT de monitoramento e gerenciamento para auxiliar as atividades de instrumentação científica em laboratórios de pesquisa ou de uso geral.

Elisa Baggio Saitovitch (Pesquisadora colab. CBPF)

OA espectroscopia Mössbauer 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. Permite obter informações sobre: fases cristalográficas (informação quantitativa), estados de carga, ligações químicas, simetria e estado magnético dos isótopos nas amostras em estudo. O efeito Mössbauer é observado em mais de 40 elementos, mas vamos focar no isótopo mais popular que é o ⁵⁷Fe. É uma ferramenta importante para o estudo de materiais magnéticos, nanomateriais, materiais biológicos e moleculares, solos; produtos de corrosão e materiais arqueométricos, entre outros. Atualmente existe um espectrômetro Mössbauer no braço de um robô explorando a composição de ferro do solo de Marte. Neste curso vamos dar uma introdução sobre aspectos teóricos e trabalhar com diferentes amostras para exemplificar o uso da técnica. Maior ênfase será dada ao estudo de filmes finos contendo ⁵⁷Fe, desde a deposição até sua caracterização, não só por espectroscopia Mössbauer mas por técnicas complementares tais como difração de raios x, medidas magnéticas, de transporte elétrico e microscopia.

Daniel Acosta-Avalos (Pesquisador CBPF) 

Os seres vivos são sensíveis ao campo geomagnético, e os exemplos incluem bactérias, insetos, pássaros, cachorros e os seres humanos. O exemplo mais claro desta sensibilidade é o das bactérias magnéticas, que são microorganismos que nadam seguindo as linhas do campo geomagnético. Para isto, elas fabricam nanopartículas magnéticas no seu interior e as organizam em cadeias. O torque magnético entre o momento magnético da cadeia de nanopartículas e o campo geomagnético produz o alinhamento do nado destas bactérias. Esta resposta das bactérias magnéticas é conhecida como magnetotaxia. Neste curso será estudado o movimento das bactérias magnéticas em função do campo magnético. Para isto serão coletadas bactérias magnéticas num rio de Marica e utilizadas as técnicas de microscopia ótica e digital na observação das mesmas. O movimento será filmado nestes microscópios para diversos valores de campo magnético, e a análise digital de vídeos será feita através do programa ImageJ para a obtenção das coordenadas das trajetórias de movimento, seguido da discussão dos modelos matemáticos envolvidos na análise do movimento de microorganismos magnéticos. A analise das trajetórias será feita usando o programa Microcal Origin. Após estes experimentos será discutido um modelo teórico sobre o movimento de bactérias magnetotacticas, e a solução será obtida usando integração numérica com a linguagem de programação Python. Vamos finalizar comparando os resultados experimentais e teóricos.

Alberto Reis (Pesquisador CBPF), Arthur Moraes (Pesquisador CBPF),  Gilvan Augusto Alves (Pesquisador CBPF), Luis Mendes (LIP/CBPF),  Ulisses Barres de Almeida (Pesquisador CBPF) e Felipe Luan Souza De Almeida (UFRJ/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. 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 à exploração do mundo subatómico, 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. O módulo realizará medidas de coincidência e vida media de múons utilizando cintiladores (plásticos e líquidos), trajetografia de múons cósmicos, utilizando detectores a gás da tecnologia RPC (Resistive-Plate-chamber). Neste módulo os alunos terão formação inicial de HDL (Hardware Description Language), a fim de desenvolverem um pequeno sistema embarcado em FPGA, para medida de fluxo de múons, com fotomultiplicadoras de silício (SiPM), acopladas por fibras ópticas a cintiladores plásticos.

Material didático:

1. Partículas elementares e noções preliminares
2. Interação da radiação com a matéria
3. Detecção da radiação
4. Aula 1
5. Aula 2
6. Aula 3
7. Aula 4
8. Aula 5

Herman Lima Jr. (Tecnologista CBPF)

Em medidas de radiação, cintiladores e tubos fotomultiplicadores (PMT) formam uma combinação amplamente utilizada para se detectar raios-X, radiação Alfa e Beta, raios gama e outras partículas carregadas (ex: múons). Enquanto o cintilador emite fótons em resposta à radiação incidente, o tubo fotomultiplicador acoplado ao cintilador detecta estes fótons de cintilação e os converte em corrente elétrica. Portanto, PMTs são sensores cruciais para a pesquisa científica, principalmente em experimentos de física de altas energias, neutrinos e matéria escura, possibilitando a detecção de fótons com precisão, eficiência e boa resolução temporal.

Em paralelo à pesquisa em física de partículas, a tecnologia dos dispositivos semicondutores avançou a passos largos nas últimas décadas, possibilitando hoje, por exemplo, o projeto e síntese de circuitos digitais complexos em um único chip. Entre as tecnologias mais flexíveis estão os dispositivos lógicos programáveis (ex: FPGAs). Além de permitir o projeto e síntese de circuitos de alto desempenho em um único dispositivo em laboratório, o chip pode ser alterado e reprogramado por um número indefinido de vezes, reduzindo os custos e o tempo para a pesquisa, ou a inserção de um novo produto no mercado. Entre as aplicações frequentes de FPGAs estão os circuitos para aquisição de dados e processamento de sinais em alta velocidade. Portanto, o desenvolvimento de sistemas baseados em FPGA pode culminar em novos instrumentos com alta tecnologia agregada e relativo baixo custo para a pesquisa científica.

Neste módulo serão abordados os tubos fotomultiplicadores e o projeto de circuitos eletrônicos utilizados em aquisição de dados, com foco em FPGAs e na linguagem descritiva de hardware VHDL. O experimento final será integrar os diferentes elementos – PMT, FPGA e VHDL – com o objetivo de caracterizar um PMT de grande área através do levantamento do espectro de single-photoelectron.

Júlio César Martins da Silva (Prof. IQ-UFF) e Odivaldo Cambraia Alves (Prof. IQ-UFF)

A metodologia de síntese por redução por álcool com adição de agentes direcionadores de crescimento permite obter nanopartículas com morfologia controlada. Compostos nanoestruturados a partir destas partículas mostram-se promissores para aplicação em dispositivos para armazenamento e conversão de energia. Nanopartículas de Pt/C e PtSn/C com orientação preferencial (100) apresentam maior atividade eletrocatalítica para reação de eletro-oxidação de etanol. A utilização de óxidos metálicos como suporte para as nanopartículas incrementa a atividade catalítica frente a diversas reações. Adicionalmente, óxidos metálicos nanométricos apresentam comportamento magnético que pode variar em razão do tamanho e morfologia dos mesmos. Assim, o estudo dessas propriedades possibilita a discussão sobre outras aplicações tecnológicas.

Neste módulo apresentaremos aspectos experimentais e teóricos da síntese de nanopartículas com morfologia controlada. Realizaremos a síntese de matérias nanoestruturados com partículas de diferentes morfologia e diferentes substratos. A aplicação destes na geração de energia será analisada por diferentes técnicas eletroquímicas (voltametria cíclica e cronoamperimetria) frente a reação de pequenas moléculas ricas em hidrogênio, tai como o etanol, formiato ou amônia. A caracterização estrutural e magnética dos nanomateriais com diferentes estruturas serão realizadas por meio de experimentos e/ou análise de resultados de difração de raios-X (DRX), microscopia eletrônica de transmissão (MET), espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios-X (XPS) e espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR).

Flávio Garcia (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.

Eduardo M. Bittar (Pesquisador CBPF) e Magda B. Fontes (Pesquisadora CBPF)

O efeito Kondo foi observado pela primeira vez em 1934, no ouro metálico, como um mínimo em baixas temperaturas nas curvas de resistividade elétrica em função de temperatura, com uma subsequente divergência logarítmica. Este efeito, denominado efeito Kondo de impureza única, foi explicado somente 1964 pela teoria desenvolvida por Jun Kondo, em que o espalhamento dos elétrons de condução por impurezas magnéticas é considerado.

A resolução do problema Kondo levou a progressos teóricos significativos, incluindo a formulação de leis de escala, o desenvolvimento do grupo de renormalização numérico, bem como da teoria de líquidos de Fermi fenomenológica. O interesse experimental aumentou no final dos anos 1990 devido a avanços na de fabricação de nanodispositivos artificiais e no descobrimento de novos compostos de férmions pesados, que podem apresentar pontos críticos quânticos.

Em uma rede na qual as “impurezas” magnéticas estão distribuídas periodicamente, ou seja, cada célula unitária contém, pelo menos, um momento localizado, também ocorre o efeito Kondo, e essa rede é chamada de rede de Kondo. A resistividade também passará por um mínimo quando os elétrons de condução começarem a blindar o íon magnético. Contudo, conforme a temperatura decresce, o processo de blindagem dará origem a um efeito de coerência provocando uma queda acentuada da resistividade elétrica. Redes de Kondo são comuns em compostos contendo íons de Ce, Yb ou U, que possuem camada f instável. A competição entre as interações magnéticas e o efeito Kondo gera diversos fenômenos físicos interessantes tais como a criticalidade quântica e a supercondutividade, entre outros.

Neste módulo iremos desenvolver atividades teóricas e experimentais sobre o efeito Kondo de impureza única e redes Kondo, de modo a oferecer ao participante uma visão abrangente deste interessante fenômeno que ocorre em sistemas de elétrons fortemente correlacionados.