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Colloquium diei: “Can a black hole have hair?”

The Kerr metric of vacuum general relativity is expected to describe astrophysical black holes. Boson stars, on the other hand, are one of the simplest gravitating solitons, suggested as astrophysical compact objects, black holes mimickers and as dark matter candidates. Kerr black holes with scalar hair, found in [1], continuously interpolate between these two types of, per se, physically interesting solutions. I will describe the construction of these solutions and discuss theoretical, astrophysical and high energy physics aspects and challenges for Kerr black holes with scalar hair.

References: [1] Kerr black holes with scalar hair, Carlos A. R. Herdeiro, Eugen Radu, Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 221101; e-Print: arXiv:1403.2757

Colloquium diei: “Possibilidade de se obter invisibilidade/concentração térmica em cristais líquidos

Um objeto pode, em princípio, se tornar invisível pela distorção dos raios de luz em sua volta, devido à introdução de uma variação espacial específica de alguns parâmetros constitutivos do meio ao seu redor. Esta ideia de “manto de invisibilidade” foi aplicada recentemente ao fluxo térmico em camadas concêntricas de um metamaterial com constante de difusão isotrópica por partes. Um manto térmico implica que a região protegida tem sua temperatura reduzida enquanto que um concentrador térmico foca o fluxo de calor numa dada região. O modelo para propagação acústica baseado em geometria não-euclidiana fornece o ambiente apropriado para estudarmos a possibilidade de se obter invisibilidade/concentração térmica em cristais líquidos nemáticos, devido à sua anisotropia inerente. Nós mostramos que a geometria não-trivial associada ao meio anisotrópico influencia a propagação de fônons em um paralelo com a propagação de fótons no âmbito da Relatividade Geral.

Em outras palavras, a condutividade térmica do meio é diretamente relacionada com a configuração específica do campo diretor (orientação média das moléculas do líquido), que determina a geometria efetiva de uma dada amostra nemática. As trajetórias dos fônons próximas e em torno de defeitos topológicos como declinações sugerem configurações do campo diretor que podem simular um manto ou um concentrador térmico. Nossas simulações para estas configurações indicam a possibilidade de construção de dispositivos térmicos com estas propriedades. REFERENCIA: Phys. Rev. E 89 (2014) 020501.

Colloquium diei: “Dark Matter in the Milky Way”

The presence of dark matter on a wide range of astrophysical scales is one of the observational pillars of the current cosmological model. In particular, spiral galaxies are known to be dark matter dominated systems, and one of the most outstanding astrophysical proofs of its existence. Yet, retrieving information about the the dark matter distribution in our very own spiral Galaxy, the Milky Way, is quite challenging.

I will first show how a new set of analysis of purely observational data permit to draw strong model-independent conclusions on the presence of DM in the Milky Way and especially in its innermost regions.

In a second time, how these very sets of data allow us to both sketch the DM distribution while getting rid of theoretical bias, and to refine analysis based on theoretical priors (i.e. profiles from numerical simulations such as NFW or Einasto) to an unprecedented level of precision.

These new results open up an interesting avenue for the study of the dark matter distribution in the Milky Way with forthcoming observational results.

Colloquium diei: “String Theory in the lab?”

The Anti-de Sitter/Conformal Field Theory (AdS/CFT) correspondence is one of the most important results of String Theory. It states that a gravity theory in Anti-de Sitter space-time (AdS) is dual to a Conformal Quantum Field Theory on the boundary of AdS. The duality connects strongly coupled Quantum Field Theories to weakly coupled gravity theories. In recent years it has been suggested that this fact can be used to gain easier excess to strongly coupled Quantum Field Theories. Examples are real-time, high density processes in Quantum Chromodynamics as well as high temperature superconductivity which is presumably driven by strong interaction processes. In both cases experimental data exists which can be used to test the correspondence. In this talk I will motivate the AdS/CFT correspondence, explain its potential and point out future directions.

Colloquium diei: “Topological Insulators: from Exotic Quantum States to Spintronics”

The surface electrons of 3D topological insulators are known to possess a helical Dirac spin texture [1] that can be exploited for studying exotic quantum states (such as condensed matter versions of Majorana fermions, axions and supersymmetry) to pragmatic spintronic devices for information technology. I will provide a perspective on this field, with examples of how we create novel phases of matter by interfacing a topological insulator with magnetism [2] and superconductivity [3]. I will also discuss the recent emergence of “topological spintronics,” demonstrating how the spin texture of a topological insulator leads to striking phenomena useful for devices, such as the generation of a spin-orbit torque of record efficiency at room temperature [4] .

1.M. Neupane, A. Richardella et al., Nature Communications 5, 3841 (2014)

2.S.-Y. Xu et al., Nature Physics 8, 616 (2012)

3.S.-Y. Xu et al., Nature Physics 10, 943 (2014)

4.A. Mellnik, J. S. Lee, A. Richardella et al., Nature 511, 449 (2014)

Colloquium diei: “Que fóton é esse?”

A luz pode se apresentar em diversos estados quânticos. Mesmo que tomemos o estado mais simples possível, ou seja, de um único fóton, uma rica estrutura continua disponível. Por exemplo, este fóton pode possuir um “pacote de ondas” contendo a superposição de muitas frequências. A manipulação coerente do pacote, assim como a determinação precisa do estado quântico da luz são cruciais para o desenvolvimento de aplicações em comunicação e informação quântica. Veremos neste colóquio como realizar estas tarefas, iluminando noções à cerca do fóton.

Colloquium diei: “Sabores pesados: o futuro da física de partículas?”

Após apresentar uma breve descrição do modelo padrão, Leandro discutirá os desafios que as medidas da primeira fase de operação do LHC, como a observação do bóson de Higgs, colocam para a Física de Partículas. Tendo em vista que parece pouco provável a observação direta de novas partículas em um futuro próximo, medidas de precisão, como as realizadas na Física de Sabores Pesados, se apresentam como a janela mais promissora para uma melhor compreensão das interações fundamentais. Será discutido como esta janela está sendo explorada dando destaque à contribuição de grupos brasileiros nesse setor.

Colloquium diei: “Levels of inquiry: Hierarchies of pedagogical practices and inquiry processes”

Little attention is given to how the processes of scientific inquiry should be taught. It is apparently assumed that once teacher candidates graduate from institutions of higher learning they understand how to conduct scientific inquiry and can effectively pass on appropriate knowledge and skills to their students. This is often not the case due to the nature of university-level instruction that is often didactic. Scientific inquiry processes, if formally addressed at all, are often treated as an amalgam of non-hierarchical activities. There is a critical need to synthesize a framework for more effective promotion of inquiry processes among students at all levels. The author presents a new hierarchy of teaching practices and Intellectual processes that can help science teachers, science teacher educators, and curriculum writers promote an increasingly more sophisticated understanding of scientific inquiry among students.

Colloquium diei: “Sirius: uma nova fonte de luz síncrotron brasileira”

O Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) está construindo o Sirius, um acelerador síncrotron de 4a geração, com 3GeV de energia e 0.27 nm rad de emitância. Esta nova fonte de luz síncrotron colocará o país entre as lideranças mundiais neste tipo de tecnologia e permitirá analisar materiais sintéticos e biológicos em escalas de tempo e comprimento sem precedentes no estado da arte atual. Neste seminário serão introduzidos aspectos fundamentais da ciência com luz síncrotron, as principais características do Sirius e de suas primeiras estações experimentais e o status atual do projeto.

Colloquium diei: “Modelando dispositivos spintrônicos”

Dispositivos spintrônicos encontram-se na ordem do dia já faz algum tempo. O Nobel de 2007 foi dado para a descoberta da magnetoresistência gigante citando o seu uso na tecnologia de leitura de discos rígidos de computadores (1). Hoje as metas são a integração de sistemas de memória com processamento (2) ou a economia de energia pois, como usa-se o spin, não há a necessidade de movimentar cargas.

Apresentarei algumas propostas recentes de como se fabricar dispositivos spintrônicos e discutirei estratégias para o modelamento da injeção de spin, fundamental à confecção destes dispositivos, em dois sistemas: a injeção de spin por um metal ferromagnético em folhas de grafeno usando a Teoria do Funcional Densidade (3) e a injeção óptica de spin em fios quânticos semicondutores usando o método k.p e a Teoria de Massa Efetiva (4).

[1] http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2007/press.html

[2] H. Dery et al., IEEE Trans. Electron Devices 59, 259 (2012)

[3] P. Lazić, G. M. Sipahi, R. Kawakami and I. Zutić, Phys. Rev. B 90, 085429 (2014)

[4] P. E. Faria Jr., G. M. Sipahi, J. Lee and I. Zutić, SPIE Optics+Photonics (2014)

Colloquium diei: “O fantástico computador quântico de dois q-Bits”

Ao longo dos últimos 20 anos, o processamento da informação quântica (PIQ) se estabeleceu como uma nova e excitante área da Física. Muito mais do que uma promessa de novas tecnologias para computação e comunicação, estudos do PIQ levaram a uma enormidade de novos conceitos e aprofundaram a nossa compreensão sobre a própria Mecânica Quântica. O paradigma de processador utilizado em todo este desenvolvimento é o sistema mais simples possível: um computador quântico de apenas dois q-bits. Neste colóquio apresentarei a versão deste computador na técnica da Ressonância Magnética Nuclear (RMN), e uma parte da incrível variedade de estudos realizados em tal sistema.

Colloquium diei: “Indirect dark matter search with the AMS-02 experiment”

The AMS-02 experiment is a particle physics detector in space. The instrument is taking data since May 2011 onboard the International Space Station, and it is devoted to the precise measurement of cosmic rays in the GeV to TeV range, as well as to the search for primordial antimatter and dark matter.

In three years of data taking, AMS has collected more than 50 billion cosmic rays: this is much more than all the cosmic rays collected in the past 100 years.

In this seminar the detection technique of cosmic rays will be described, together with the performance of the AMS-02 detector. The recent measurements concerning the flux of cosmic particles up to the TeV region will be discussed, and some phenomenological implications outlined. Particular emphasis will be given to the AMS measurement of electrons and positrons fluxes, together with their interpretations in terms of dark matter annihilation in the nearby Universe.

Colloquium diei: “Explorações no mundo das caminhadas aleatórias”

Este colóquio é inspirado e gira em torno de problemas matemáticos e de problemas físicos básicos do universo das caminhadas aleatórias. A partir de estudos clássicos nesse domínio, apresentamos generalizações recentes desses tipos de objetos, as quais têm aplicação potencial em virtualmente todas as áreas da física, além de em outras áreas, como a ciência de materiais, e em problemas fundamentais da biologia. A abordagem, em grande parte acessível ao aluno de graduação, explora de forma direta tanto os aspectos teóricos, quanto os experimentais e os aplicados, enfatizando os elementos geométricos, a intuição e a universalidade dos fenômenos.

Colloquium diei: “A física das mudanças climáticas globais”

Uma das questões mais desafiadoras para a ciência é o entendimento integrado de como o sistema climático terrestre funciona e quantificar o efeito antropogênico no clima de nosso planeta. O balanço radiativo terrestre está sendo alterado de modo significativo pelo aumento da concentração de gases de efeito estufa, alterações nas nuvens e na concentração de partículas de aerossóis atmosféricos, na alteração do albedo terrestre entre outros aspectos. Neste colóquio iremos discutir os várias aspectos científicos que controlam o funcionamento climático de nosso planeta. Estratégias de mitigação e enfrentamento das questões serão debatidas.

Colloquium diei: “Myth and Reality Behind the AVATAR: Brain-machine Interfaces”

Brain machine interfaces (BMI) have become important in systems neuroscience with goal to restore motor function to paralyzed patients. I will assess the current ability of BMI devices to move objects.

The topics discussed will include: (1) the bits of information generated by a MBI signal, (2) the limitations of including more neurons for generating a BMI signal, (3) the superiority of a BMI signal using single cells versus electroencephalography (EEG), (4) plasticity and BMI, (5) the selection of a neural code for generating BMI, (6) the suppression of body movements during BMI, and (7) the role of vision in BMI.

I conclude that understanding fully how the brain generates movement is necessary before BMI can become a reasonable option for paralyzed patients. The implications of this conclusion are discussed. For more details see: Neuroscience, 2013, 255, 134-146.

Colloquium diei: “A física da consciência”

Uma grande revolução na neurociência cognitiva poderá ocorrer nas próximas décadas, transformando a concepção que temos de nós mesmos. É possível que o chamado “problema difícil” da consciência seja esclarecido, o que provavelmente envolverá um novo estilo de se fazer ciência. Qual o papel que a abordagem das ciências físicas e biomoleculares desempenhará nessas transformações?

Neste seminário, discutirei em primeiro lugar os limites que a metodologia científica encontra no esclarecimento da natureza da consciência e da subjetividade, explorando o argumento filosófico conhecido como “o quarto de Mary”. A discussão ajudará a definir o que é uma explicação física do mundo, o que é o mundo “físico” e qual é a natureza das qualidades subjetivas (qualia).

Em seguida, de uma perspectiva materialista, após apresentar algumas definições de “consciência” e o papel da seleção natural em sua evolução, nos lançaremos na questão de qual é a natureza física dos processos que são essenciais para a consciência. Exploraremos em especial uma tradição (Penfield, Bogen etc.) que considera que o cerne da consciência envolve processos subcorticais ocorrendo no tálamo.

Colloquium diei: “Quantum phase transition and novel phases in condensed matter”

Condensed matter physics deals with the complex behavior of many-particle systems. Novel phases of matter can emerge as a result of strong interactions between the constituent particles. A natural place to look for these phenomena are the so-called quantum phase transitions, the boundaries between different quantum ground states of matter. This talk first gives an introduction into quantum phase transitions and then discusses several exotic new phases of matter that have been discovered in their vicinity in solids as well as in ultracold atomic gases.

Colloquium diei: “A busca por novas tecnologias de sequenciamento de DNA”

A busca pelo sequenciamento de um genoma utilizando tecnologias rápidas e baratas é uma área de pesquisa de intensa ativididade. A informação contida no genoma pode ser utilizada para determinar predisposições genéticas a doenças e ajudar na melhor compreensão do código genético. Infelizmente, as técnicas atuais mostram sinais de saturação com custo ainda superior ao patamar em que poderiam ser utilizadas corriqueiramente em medicina. Uma das tecnologias que apresentam o maior potencial para revolucionar a área é a utilização de nanoporos tanto biológicos quanto de estado sólido. No segundo caso, o grafeno é um candidato fantástico para este tipo de aplicação. Neste colóquio, será mostrado como simulações computacionais (que combinam métodos clássicos e quânticos) podem nos ajudar a compreender os mecanismos de detecção de nucleotídeos e propor novos dispositivos de sequenciamento.

Colloquium diei: “Exercício, nutrição e sono no aprendizado escolar”

Na maioria dos países do mundo, estudantes vão à escola experimentando os efeitos fisiológicos de dieta pobres, noites mal dormidas e carência nas oportunidades de exercício e lazer. Isto significa que, independentemente dos métodos pedagógicos utilizados, estudantes de baixo nível socioeconômico terão dificuldades de aprendizado determinadas por fatores fisiológicos. O cérebro é, de longe, o maior consumidor de glicose dentre todos os órgãos do corpo. Não surpreendentemente, glicose administrada pouco antes do aprendizado fortalece a consolidação de memórias. Também há evidências de que o exercício físico beneficia a cognição em sinergia com a estimulação sensorial nova, através de uma variedade de mecanismos que incluem a regulação positiva de fatores neurotróficos, bem como o aumento da neurogênese e do tamanho do hipocampo. Entre os requisitos fisiológicos para o aprendizado, o sono é um dos mais promissores para melhorar substancialmente a qualidade do aproveitamento escolar. A sonolência em sala de aula é considerada inimiga dos professores, embora exista um grande acúmulo de evidências de que o sono favorece a consolidação e restruturação de memórias. É preciso investigar sistematicamente a utilização da dieta, do sono e do exercício físico para otimizar o aprendizado escolar. No contexto brasileiro de sub-desenvolvimento educacional, o investimento na resolução de fatores fisiológicos limitantes para o aprendizado escolar pode permitir avanços substantivos, rápidos e em larga escala.