"How to make sculptures of 4-dimensional things"

Os recentes avanços na tecnologia 3D, desde as exibições de filmes in-a-face até as histórias de impressão em 3D que relatamos todos os dias, certamente dotarão a terceira dimensão de uma sensação de novidade e a promessa do futuro. No entanto, a verdade é que sempre vivemos em um ambiente tridimensional; nós somos hard-wired para ver e imaginar coisas em 3D. O conceito de quarta dimensão (4D), por outro lado, ainda escapa mesmo aos matemáticos mais qualificados, mesmo após dois séculos de pesquisa.

Embora não possamos fisicamente criar objetos 4D em nosso universo, o artista e matemático Henry Segerman, da Oklahoma State University, em Stillwater, inventou uma maneira criativa de nos mostrar o que as sombras de um cubo 4D - também conhecido como hipercubo ou Tesseract - pareceriam gostar.

Segerman revelou seu método no último final de semana na reunião anual da AAAS (Associação Americana para o Avanço da Ciência) em San Jose, Califórnia. Durante a apresentação, disponível em um clipe de uma hora no YouTube, ele compara-nos tentando visualizar um objeto 4D para uma pessoa que vive em uma "planície" 2D tentando imaginar um cubo - seria difícil, mas não impossível. Uma maneira de explicar o conceito de um cubo seria lançar uma luz acima dele para projetar sua sombra. Segerman explica: “assim como a sombra de um objeto tridimensional a transforma em um plano bidimensional, podemos esmagar uma forma quadridimensional no espaço tridimensional”. 
O processo de "esmagamento" dessas sombras utiliza um conceito semelhante à projeção estereográfica, em que a luz atinge um objeto tridimensional (como uma esfera) e projeta sua imagem em uma superfície plana (como uma parede). A projeção estereográfica tem sido usada há séculos para fazer mapas da Terra e do céu.

Com objetos 3D, a projeção estereográfica é bastante direta. O que Segerman fez foi dar um passo adiante com esculturas de impressão 3D que representam um hipercubo 4D para projetar suas sombras. Embora as formas da escultura sejam necessariamente distorcidas (elas parecem crescer em tamanho à medida que se movem para fora a partir do meio), é o mais próximo que podemos chegar da visualização de objetos 4D.

A escultura de Segerman, intitulada " Mais Diversão do que um Hipercubo de Macacos ", mostra as projeções de macacos conectados em forma de hipercubo e pode levar vários minutos para envolver sua mente (se você conseguir), mas no mundo matemático, projeção radial move os macacos para a esfera 3 (a esfera unitária no espaço 4D), então a projeção estereográfica move os macacos para o espaço 3D. Segundo Segerman, esta pode ser a primeira escultura com o grupo dos quatérnios como grupo de simetria.

Se você tem uma hora e realmente quer entender a matemática e a ciência por trás do projeto de Segerman, não deixe de assistir ao vídeo de sua apresentação, ou leia esta explicação detalhada no blog da Scientific American, Roots of Unity. Ou, se preferir colocar a mão na massa e experimentar algumas impressões 3D em matemática, veja as páginas Shapeways e Thingiverse da Segerman , que oferecem vários modelos que combinam lindamente a matemática complexa com a arte que chama a atenção.

Fonte https://www.3ders.org

Cientistas descobrem novos estados quânticos empilhando camadas de grafeno

Uma nova descoberta de pesquisadores das Universidades Brown e Columbia, nos EUA, demonstrou que estados desconhecidos da matéria surgem do empilhamento de camadas bidimensionais de grafeno.

O grafeno é um nanomaterial, um material que possui partículas de dimensões nanométricas. Em outras palavras, um bilionésimo de metro.

Esses novos estados foram denominados fractional quantum Hall effect (FQHE) e são criados através de interações complexas de elétrons dentro e através de camadas de grafeno.

Por que isso é útil?

“Em termos de engenharia de materiais, este trabalho mostra que esses sistemas em camadas podem ser viáveis na criação de novos tipos de dispositivos eletrônicos que aproveitam esses novos estados quânticos de Hall, disse Jia Li, professor da Brown.

Li começou essa pesquisa junto com Cory Dean, professor de física e Jim Hone, professor de engenharia mecânica na Universidade de Columbia.

Li continuou: “As descobertas mostram que o empilhamento de materiais 2-D juntos em proximidade gera uma física inteiramente nova”.

Esta pesquisa, chamada “Emparelhamento de estados compostos em grafeno de dupla camada”, é publicada na revista Nature Physics.

Demonstrando ainda mais a importância potencial desta pesquisa, Hone ressaltou que esses novos estados quânticos de Hall “podem ser úteis para tornar o computador quântico tolerante a falhas”.

Um computador quântico reúne alguns dos fenômenos quase inexplicáveis da mecânica quântica, por sua vez, auxiliando no poder de processamento. Estes podem superar supercomputadores atuais e potencialmente futuros.

Como os pesquisadores fizeram essa descoberta?

A equipe trabalhou com material que havia sido descoberto durante anos de pesquisa na Columbia e melhorou a qualidade dos dispositivos de grafeno. Eles acabaram criando dispositivos ultra-limpos feitos de materiais 2-D atomicamente planos.

Dean disse: “Mais uma vez a incrível versatilidade do grafeno nos permitiu ultrapassar as fronteiras das estruturas de dispositivos além do que era possível anteriormente”.

Ele continuou: “A precisão e sintonia com que podemos fazer esses dispositivos está agora nos permitindo explorar todo um reino da física que recentemente era considerado totalmente inacessível”.

Esta nova pesquisa é uma descoberta empolgante para físicos e engenheiros, pois pode afetar o futuro dos computadores quânticos.

Fonte https://engenhariae.com.br

Vidro 5D armazena 3000x mais informações que CDs – por 13,8 bilhões de anos

360TB de dados em um pequeno vidro 5D, por bilhões de anos.

O armazenamento de dados em cinco dimensões (5D) é a tecnologia inventada por uma equipe de cientistas da Universidade de Southampton, com o objetivo de armazenar dados em um disco composto de vidro nano estruturado. Espera-se que este disco armazene dados por até 13,8 bilhões de anos, que é a idade estimada do Universo. O disco 5D pode ser melhor explicado como resultado das dimensões XYZ juntamente com o tempo referente à 4ª dimensão.

O pensamento por trás da criação de um disco de armazenamento de dados usando a tecnologia 5D é devido às opções atuais de dispositivos de armazenamento de dados ficarem danificados, podres ou obsoletos. Tais fatores levam ao pensamento de um produto de armazenamento de dados compacto robusto e, portanto, o disco de armazenamento de dados 5D é considerado como uma opção.

Os impactos do armazenamento 5D em Big Data: maior confiabilidade, custos reduzidos, atendimento às necessidades de armazenamento de dados, promoção da conservação de energia, redução das limitações de armazenamento.

O driver esperado para o armazenamento de dados 5D é a necessidade de uma forma segura e portátil de produto de armazenamento de dados. Dentro das verticais militares e outras indústrias relacionadas, a comunicação ou transferência segura de dados torna-se um problema. Portanto, esse fator de produto de armazenamento de dados seguro pode impulsionar os próximos anos. Além disso, espera-se que o Big Data permita a comercialização de discos de armazenamento de dados 5D para diversas aplicações, pois os dados estão aumentando exponencialmente com o tempo.

Uma das oportunidades previstas não é uma mera substituição por lasers ultrarrápidos que farão com que o produto cresça nas regiões de alta tecnologia adotadas. Além disso, agências militares secretas que estão surgindo em grande escala nos territórios também devem ser uma oportunidade para o mercado de armazenamento de dados 5D.

O disco de armazenamento de dados 5D com capacidade de dados de 360TB, resistindo a temperaturas de até 1000 °C, deverá dominar o mercado de big data em um futuro próximo, quando os líderes da indústria investirem em pesquisa e desenvolvimento para criar mais produtos no mercado de armazenamento de dados 5D.

Fonte https://socientifica.com.br/

Laser de plástico finalmente vira realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica - 11/06/2019

É a primeira vez que se consegue a emissão laser em diodos de plástico, ou orgânicos. [Imagem: COPER/Kyushu University]

Pesquisadores do Japão demonstraram que um diodo laser baseado em semicondutores orgânicos é de fato possível, abrindo caminho para a expansão dos lasers em aplicações como biossensores, telas, dispositivos médicos e comunicações ópticas.

Atula Sandanayaka e seus colegas da Universidade de Kyushu afirmam ter demonstrado de forma convincente pela primeira vez que os diodos laser de semicondutores orgânicos finalmente viraram realidade - alegações anteriores de geração laser eletricamente induzida usando materiais orgânicos revelaram-se falsas em várias ocasiões, com outros fenômenos sendo confundidos com a emissão laser.

Um passo crítico no laser é a injeção de uma grande quantidade de corrente elétrica nas camadas orgânicas para alcançar uma condição chamada inversão de população. No entanto, a alta resistência à eletricidade de muitos materiais orgânicos torna difícil obter cargas elétricas suficientes nos materiais antes que eles se aqueçam e queimem - os materiais orgânicos são polímeros, ou plásticos.

Além disso, perdas inerentes à maioria dos materiais orgânicos e operação sob altas correntes reduzem a eficiência, elevando ainda mais a corrente necessária.

Emissão laser

Para superar esses obstáculos, Sandanayaka usou um material orgânico emissor de luz altamente eficiente, com uma resistência relativamente baixa à eletricidade e uma baixa quantidade de perdas - o material é conhecido como BSBCz (4,4'-bis[(N-carbazole)stiril]bifenil).

Mas ter encontrado o material certo não foi o suficiente.

Ele precisou também projetar uma estrutura com uma grade de material isolante sobre um dos eletrodos para injetar eletricidade nos filmes finos orgânicos. Essas redes - chamadas estruturas de retroalimentação distribuída - já eram conhecidas como sendo capazes de produzir os efeitos ópticos necessários para o laser.

"Otimizando essas redes, pudemos não apenas obter as propriedades ópticas desejadas, mas também controlar o fluxo de eletricidade nos dispositivos e minimizar a quantidade de eletricidade necessária para observar a emissão laser a partir do filme fino orgânico," detalhou o professor Chihaya Adachi.

Esquema e foto do protótipo do laser orgânico. [Imagem: 10.7567/1882-0786/ab1b90]

Diodo laser orgânico

Por muito tempo considerado um "santo graal" na área dos componentes emissores de luz, diodos laser orgânicos usam materiais à base de carbono para emitir luz, em vez dos semicondutores inorgânicos, como arseneto e nitreto de gálio, usados nos dispositivos comerciais.

Os lasers orgânicos são em muitos aspectos semelhantes aos diodos emissores de luz orgânicos (OLEDs), nos quais uma fina camada de moléculas orgânicas emite luz quando a eletricidade é aplicada. Os OLEDs tornaram-se a melhor escolha para as telas dos telefones celulares devido à sua alta eficiência e cores vibrantes, que podem ser facilmente alteradas sintetizando-se novas moléculas orgânicas.

Ocorre que os diodos laser orgânicos produzem uma luz muito mais pura, permitindo aplicações adicionais, mas exigem correntes com magnitudes mais altas do que as usadas nos OLEDs para alcançar a emissão de luz coerente. Essas condições extremas fizeram com que os protótipos construídos até agora pifassem bem antes que o laser pudesse ser observado.

Os pesquisadores estão tão confiantes nos seus novos componentes que fundaram uma empresa para fazer os desenvolvimentos que faltam para criar um produto comercial e lançar os diodos de laser orgânicos no mercado.

Bibliografia:

Indication of current-injection lasing from an organic semiconductor
Atula S. D. Sandanayaka, Toshinori Matsushima, Fatima Bencheikh, Shinobu Terakawa, William J. Potscavage Jr., Chuanjiang Qin, Takashi Fujihara, Kenichi Goushi, Jean-Charles Ribierre, Chihaya Adachi
Applied Physics Express
DOI: 10.7567/1882-0786/ab1b90

Levitação de objetos com luz pode nos levar às estrelas

É um passo em direção ao desenvolvimento de uma espaçonave que poderá alcançar o planeta mais próximo em 20 anos.

Redação do Site Inovação Tecnológica - 28/03/2019

O segredo da levitação com luz está nos padrões em nanoescala criados na superfície do objeto. [Imagem: Atwater laboratory]

A levitação acústica já está bem desenvolvida e com aplicações práticas, mas levitar objetos usando luz nos aproxima muito mais dos feitos só vistos na ficção científica.

E Ognjen Ilic e Harry Atwater, do Instituto de Tecnologia da Califórnia, nos EUA, acabam de demonstrar que é de fato possível levitar e manipular objetos com luz.

Embora ainda teórico, o trabalho é um passo em direção ao desenvolvimento de uma espaçonave que poderá alcançar o planeta mais próximo fora do nosso Sistema Solar em 20 anos, impulsionado e acelerado por um canhão de laser.

A chave para isso está na criação de padrões específicos em nanoescala na superfície de um objeto, transformando o que seria uma simples vela solarpassiva em uma metassuperfície.

E é mais do que uma mera impulsão: O padrão de ranhuras na metassuperfície interage com a luz de tal forma que o objeto se realinha quando perturbado, criando um torque de restauração para mantê-lo no feixe de luz. Assim, em vez de exigir raios laser altamente focalizados, o padrão dos objetos é projetado para "codificar" sua própria estabilidade, permitindo usar uma fonte de luz mais difusa a milhões de quilômetros de distância.

É possível projetar a superfície de forma que ela se realinhe automaticamente para ficar no foco de luz. [Imagem: Ilic/Atwater - 10.1038/s41566-019-0373-y]

No espaço e na Terra

Segundo a equipe, o princípio irá funcionar para objetos de qualquer tamanho, de micrômetros a metros.

"Nós criamos um método que pode levitar objetos macroscópicos," disse Atwater. "Há uma aplicação audaciosamente interessante para usar essa técnica como meio de propulsão de uma nova geração de naves espaciais. Estamos longe de realmente [construir essas naves], mas estamos no processo de testar os princípios."

Ele também prevê que a tecnologia poderá ser usada aqui na Terra para permitir a fabricação rápida de objetos cada vez menores, como componentes eletrônicos, uma vez que o mecanismo é mais versátil do que as tradicionais pinças ópticas.

Infelizmente, a pressão de radiação da luz não é forte o suficiente para se contrapor à gravidade, o que significa que não seria possível levitar objetos macroscópicos com luz aqui na Terra - ao menos não com base na teoria agora desenvolvida.

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Self-stabilizing photonic levitation and propulsion of nanostructured macroscopic objects
Ognjen Ilic, Harry A. Atwater
Nature Photonics
DOI: 10.1038/s41566-019-0373-y