Colloquium diei

Colloquium diei: “100 Anos de Relatividade Geral, Buracos Negros e Aplicações”

Em 2015, celebramos o centenário da Teoria da Relatividade Geral (TRG), proposta por Albert Einstein. Após uma breve introdução sobre a TRG, discutiremos uma de suas mais impressionantes implicações: os Buracos Negros. Em seguida, destacaremos resultados recentes sobre a física de Buracos Negros, com ênfase na absorção e no espalhamento de diferentes campos (escalar, eletromagnético e gravitacional) nestas geometrias. Também apresentaremos alguns análogos acústicos de Buracos Negros.

Colloquium diei: “Correcting the “Self-Correcting” Mythos of Science”

In standard characterizations, science is self-correcting. Scientists examine each other’s work skeptically, try to replicate important discoveries, and thereby expose latent errors. Thus, while science is tentative, it also seems to have a system for correcting whatever mistakes arise. It powerfully explains and justifies the authority of science. Self-correction thus often serves emblematically in promoting science as a superior form of knowledge. But errors can and do occur. Some errors remain uncorrected for long periods. I present five sets of historical observations that indicate a need to rethink the widespread mythos of self-correction. First, some errors persist for decades, wholly undetected. Second, some corrections to erroneous theories have themselves been rejected when initially presented. Third, many errors seem corrected fortuitously, by independent happenstance, not by any methodical appraisal. Fourth, some errors have fostered further serious errors without the first error being noticed. Finally, some errors have been “corrected” in a cascade of successive errors that did not effectively remedy the ultimate source of the error. In all these cases, scientists failed to identify and correct the errors in a timely manner, or according to any uniform self-correcting mechanism. These historical perspectives underscore that error correction in science requires epistemic work. An understanding of errors forms an important type of negative knowledge.

Colloquim diei: “Perspectivas do ensino superior no século XXI: desafios para a Física e a interdisciplinaridade”

A trajetória do ensino superior da Física no Brasil desde a vinda de Gleb Wataghin será brevemente discutida à luz de alguns marcos e aspectos históricos como o estabelecimento da dedicação exclusiva, o crescimento da pós-graduação e a busca da interdisciplinaridade.

Nesse contexto serão destacadas algumas características tradicionais do ensino superior de Física, que passaram a ser discutidos para outros cursos. Por outro lado, será elencado um conjunto de desafios que os cursos de Física do Brasil precisam enfrentar de forma mais abrangente.

Colloquim diei: “Mulheres na Física: por que tão poucas? Por que tão devagar?”

A participação feminina no ambiente profissional tem aumentado significativamente nos últimos anos. O Censo da Educação Superior de 2010 mostra que, entre as 20 carreiras de graduação com maior número de recém-formados, as mulheres são maioria em 15 delas. Além disso, hoje são maioria entre os discentes nas universidades brasileiras e já compõem cerca de 50% dos docentes nas instituições públicas, segundo o mesmo Censo da Educação Superior de 2010. No entanto, este crescimento não está homogeneamente distribuído entre as diversas disciplinas. Em particular, o percentual de mulheres na área de Exatas é muito pequeno e diminui desproporcionalmente à medida que se avança na carreira. Assim, há uma sub-representação segundo as áreas do conhecimento como também segundo o nível da carreira. Este cenário inspira a questão que iremos analisar neste seminário: por que a vagarosidade no avanço das mulheres nas carreiras científicas como um todo?

Colloquium diei: “Espectroscopia Dielétrica/Impedância em Ciência de Materiais”

Neste seminário, apresentaremos as potencialidades da Espectroscopia Dielétrica/Impedância em estudos dirigidos a examinar e entender a correlação existente entre respostas dielétricas/impedância de materiais e as características (micro) estruturais destes. O seminário começará com a apresentação das bases físicas desta técnica espectroscópica, dos modelos para descrever processos de polarização e condução em materiais, em conexão com a interpretação de dados em termos de circuitos equivalentes. A seguir, diversos exemplos serão dados, incluindo blendas diesel/biodiesel, biodiesel conforme a matéria-prima, sistemas vítreos versus vitrocerâmicos, efeito de tamanho de grãos em materiais eletrocerâmicos ferroelétricos e não-ferroelétricos, uma visão microestrutural de materiais PTCR e varistores baseados em efeito de interfaces etc.

Colloquium diei: “Pulsos de femtossegundos e processos ópticos não lineares”

Ao longo da história da óptica, e de fato até relativamente recentemente, acreditava-se que todo meio óptico fosse linear, ou seja, que os processos ópticos pudessem ser descritos por uma polarização induzida proporcional a amplitude do campo elétrico da luz. Contudo, a partir do desenvolvimento do laser foi possível estudar a interação da luz com a matéria no regime de altas intensidades, permitindo observar que meios ópticos respondem de maneira não linear com a amplitude do campo incidente. Sendo assim, a óptica não linear estuda fenômenos que ocorrem como consequência da modificação das propriedades ópticas de um sistema material pela presença de luz intensa, tipicamente obtida com laseres de pulsos ultracurtos. A partir de então, vários efeitos não lineares foram descobertos, permitido aprofundar o conhecimento a respeito da interação da luz com a matéria, bem como uma revolução tecnológica em óptica com implicações em diversas áreas.

Nesta palestra serão apresentados alguns aspectos da interação não linear da luz com a matéria, incluindo problemas como as mudanças induzidas pela luz nas propriedades ópticas de um meio, com ênfase para o fenômeno de absorção multi-fotônica. Ainda será apresentado como esse processo contribui para estudos de espectroscopia óptica em sistemas moleculares, com consequências no desenvolvimento de materiais visando aplicações em dispositivos fotônicos. Finalmente, serão mostradas como características peculiares do processo de absorção multi-fotônica podem ser exploradas para aplicações em diversas áreas do conhecimento, desde óptica até biologia.

Colloquium diei: “Mecanismos Neurais do Olfato”

Animais utilizam o olfato para identificar alimentos, parceiros sexuais e predadores. Comportamentos olfatórios inatos e aprendidos são essenciais para identificação de informações ambientais fundamentais para a sobrevivência de muitas espécies. Porém, apesar da ampla importância do olfato, os mecanismos neurais do olfato ainda não são completamente entendidos. O grande desafio é entender como o cérebro interpreta os sinais ambientais e transforma essas informações para guiar o comportamento. As bases computacionais do olfato podem ser estudadas utilizando a construção de modelos computacionais, o registro da atividade elétrica do córtex olfatório e a manipulação da percepção olfatória por fármacos que agem nas vias de sinalização bioquímica associadas com a transdução em neurônios sensoriais olfatórios. A palestra apresentará resultados de estudos recentes desse tipo realizados para se entender efeitos de alterações na atividade da camada receptora do sistema olfatório de ratos sobre a atividade elétrica do córtex olfatório e o comportamento observado em procedimentos de discriminação de odores.

Colloquium diei: “Há futuro para a Ciência brasileira?”

A Ciência brasileira adentra o século XXI submetida a múltiplos desafios, externos e internos. O custo financeiro da pesquisa científica tem crescido exponencialmente, e os recursos disponíveis são cada vez mais escassos. A classe política e as empresas, que decidem pelo financiamento público e privado da ciência, clamam por radical engajamento em inovação e patentes, mantendo a visão enviesada de que a Ciência brasileira somente está interessada em papers. A sociedade em geral desconhece o impacto da ciência em seu bem estar cotidiano, e não valoriza a ciência como solução para os grandes problemas nacionais. Um exemplo disso foi a completa ausência do tema na discussão política eleitoral recente. O cenário interno à ciência apresenta-se igualmente complexo, com instituições engessadas pela gestão pública ineficiente, sitiadas por pressões corporativas, e que não valorizam devidamente a qualidade na pesquisa e o mérito acadêmico na progressão da carreira dos docentes/pesquisadores. Nas avaliações de projetos e propostas pelas agências de financiamento à pesquisa, os comitês  de pares insistem em apenas contabilizar a quantidade de publicações, e resistem em considerar entre seus critérios os diferentes impactos da pesquisa, quais sejam científicos, econômicos, sociais, educacionais ou culturais. O ensino de graduação e, crescentemente, o de pós-graduação, seguem modelos antiquados que não priorizam a criatividade, a iniciativa própria e o empreendedorismo. Resta a pergunta: Há Futuro para a Ciência Brasileira? Vamos discutir isso neste colóquio.

Colloquium diei: “Não-Contextualidade testada com pares de fótons correlacionados”

A conversão paramétrica descendente espontânea (CPDE) é um efeito ótico não linear no qual pares de fótons em um estado emaranhado em diferentes graus de liberdades são gerados quando um feixe de laser atravessa um cristal não-linear. Nos últimos 20 anos, CPDE tem sido a principal fonte de luz para estudos de fundamentos de física quântica, ótica e informação quântica. Em trabalhos recentes demonstramos a geração de estados emaranhados de d-níveis (d>2, qdits) na variável de caminho dos pares de fótons, protocolos de detecção e concentração de emaranhamento, medida de emaranhamento, e tomografia quântica, técnica que nos permite determinar a matriz densidade que descreve o estado quântico destes sistemas. Em vários destes trabalhos, operações sobre os estados de caminho dos pares foram realizados por moduladores de luz espacial. Estes moduladores nos permitem implementar experimentalmente no laboratório operadores teóricos pois são capazes de girar a polarização,atenuar ou adicionar fases localmente aos feixes de pares de fótons.

Neste colóquio, mostrarei inicialmente algumas características experimentais desta fonte de luz e revisarei algumas das ferramentas utilizadas em estudos experimentais, com alguns exemplos de aplicações. Em seguida, discutirei um trabalho recente onde um aspecto fundamental de física quântica foi estudado, a característica contextual de correlações presentes no padrão de interferência espacial de dois fótons. Responderemos a seguinte pergunta: É possível explicar a estatística de detecção de pares de fótons em (x1, x2) modelando tal fenômeno por teorias não-contextuais, isto é, modelos onde a detecçao do fóton 1 (2) em x1 (x2), não depende da escolha de onde colocar o outro detector D2 (D1)? A resposta a essa pergunta é importante porque contextualidade distingue correlações clássicas de correlações genuinamente quânticas, usadas por exemplo em comunicação quântica.

Colloquium diei: “Novos desafios do LHC, muito além da descoberta do Higgs”

O ano de 2012 entra na história como um marco importante para a área de física de partículas devido à descoberta da partícula conhecida como o Bóson de Higgs, peça importante do quebra cabeças para compreender as características fundamentais da matéria dentro do que chamamos de Modelo Padrão. Mas os testes do Modelo Padrão e as possibilidades do LHC vão muito além desta importante descoberta. Agora, em 2015, o LHC retorna suas operações após uma pausa para manutenção e upgrade de seus sistemas e detectores. Este período também foi importante para avançar e concluir diversas análises dos dados coletados nos primeiros anos de operação e ter melhor previsão do que esperar e procurar neste início de operações. Em particular, um dos grandes desafios a serem abordados é o estudo do comportamento da matéria nuclear em condições extremas de temperatura e densidade. Além das colisões próton-prótons, em colisões muito mais violentas, de núcleos de Chumbo com núcleos de Chumbo, esquentamos o vácuo da QCD e recriamos um estado da matéria em condições extremas, similares às condições do universo primordial logo após o Big-Bang. Este estado, conhecido como Quark-Gluon Plasma, teria graus de liberdade partônicos, portanto, permite um estudo direto das interações fundamentais existentes entre os elementos primordiais da matéria e da teoria que descreve estas interações. Portanto, o estudo das características do QGP e da evolução deste estado até a formação da matéria nuclear ordinária permite testar e tentar compreender as características globais de nosso universo atual. Três dos quatro experimentos do LHC medem colisões de Chumbo-Chumbo no LHC, sendo que dentre estes, o experimento ALICE é dedicado ao estudo destas colisões. O ALICE tem participação brasileira, com pesquisadores da USP e da UNICAMP, com contribuições em diversas análises de física e também com desenvolvimento de tecnologia em instrumentação e computação. Portanto, o LHC é não somente um dos maiores experimentos de física já construído mas também um grande propulsor de novas tecnologias.

Colloquium diei: “Topological States of Matter”

Topological states of matter distinguish themselves from quantum ordered states – such as antiferromagnets – by the absence of a local order parameter. Their properties are remarkable, and range from realizing Majorana fermions to exhibiting fractional statistics and non-abelian braiding. Important for practical applications, topological states can exhibit perfectly conducting gapless surface or edge states traversing an otherwise insulating bulk gap. Some examples include topological insulators, topological superconductors, quantum spin liquids and the well-known fractional quantum Hall states. Recent experiments, have observed a wide array of the forementioned topological materials. I will discuss these states’ unique properties, the theoretical challenges they present and new analytic and numerical methods (borrowed from quantum information) required to analyze them. I will also touch on the experimental discovery of the Weyl Semimetals.

Este colóquio também integra as atividades do programa “Seminários Especiais em Temas de Fronteira” promovido pela Comissão de Pesquisa do IFSC.

Colloquium diei: “Perspectivas histórico-filosóficas do conceito de Sistema”

O conceito de sistema na música enquanto systema teleion (conjunto harmônico de relações articuladas) remonta a Aristóxeno (século IV a. C.), fundador da musicologia moderna. Durante a Antiguidade, Idade Média e Renascimento, em fontes gregas e latinas, o conceito de sistema se restringiu à música (mesmo em Copernico o conceito é inexistente). Com Kepler (1609) e Galileu (1610) – ambos com formação musical – o conceito de sistema num processo metafórico é adotado pela primeira vez fora da música. Além da trajetória cronológica do conceito, a palestra contempla a discussão histórico-filosófica desde Aristóxeno até Galileu (sistema máximo e perfeito, tradução literal de Aristóxeno), justamente na transposição do conceito musical para as ciências, bem como das lacunas na história das ciências até aqui sobre este processo.

Colloquium diei: “Nanowire Infrared Cameras, Photodetectors and Solar Cells”

III-V nanowires support optical resonant modes such that nanowires act as very effective waveguides that concentrate and absorb light over a length of only a few microns, enabling very efficient photodetectors and solar cells with relatively little material.

It is also of great interest to develop multi-spectral or wavelength discriminating infrared detectors or cameras for advanced infrared imaging systems with enhanced target discrimination and identification, providing improved discrimination of absolute temperature as well as unique signatures of objects.

The resonant absorption in nanowires shows wavelength selectivity that can be tuned continuously across the visible and infrared wavelengths by adjusting the nanowire diameter. This principle can be used as a new concept for multi-spectral imaging.

Lattice-mismatched III-V nanowires can also be grown directly on Si substrates enabling integration with existing Si CCD sensors, CMOS sensors, or Si solar cell technology. These capabilities enable large-area, low cost infrared sensors with multi-spectral capability integrated into existing Si technology, and enhancement of Si solar cell efficiency.

The theory and preliminary experimental results for III-V nanowires and their potential in wavelength tunable infrared cameras and solar cells will be presented.

(Transmissão via iptv.usp.br)

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.