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Fônons topológicos descobertos no grafeno

02.10.2023

Cientistas chineses fizeram uma descoberta significativa ao descobrir fônons topológicos no grafeno. Para estudar os espectros de fônons em toda a zona bidimensional de Brillouin, eles usaram microscopia eletrônica de alta resolução, analisando as perdas de energia eletrônicas características.

Os fônons desempenham um papel importante nas propriedades dos materiais cristalinos, incluindo características térmicas e mecânicas, bem como nas suas propriedades eletrônicas. De particular interesse são os fônons topológicos que surgem quando ramos de fônons com diferentes parâmetros se cruzam. No entanto, o estudo de tais condições é uma área de pesquisa relativamente nova.

Até recentemente, fônons topológicos não eram detectados em materiais bidimensionais como o grafeno devido à necessidade de resolução muito alta, variando de 0,1 a 10 milielétron-volts. Esta resolução tem sido difícil de alcançar com métodos tradicionais, como raios X ou difração de nêutrons, tornando o estudo experimental de estados de fônons topológicos um desafio.

Cientistas chineses do Laboratório Nacional de Física da Matéria Condensada de Pequim e de outros institutos usaram microscopia eletrônica de alta resolução para sondar estruturas de fônons no grafeno. Isso permitiu obter espectros de fônons de alta resolução em toda a zona bidimensional de Brillouin e identificar vários fônons topológicos.

Os cientistas observam que em cristais periódicos, como a rede hexagonal do grafeno, as características topológicas são determinadas pelas simetrias da rede cristalina. Essas simetrias determinam possíveis estruturas topológicas de fônons, como fônons de Dirac e fônons de nó de anel. Simulações de computador previram a presença de dois tipos de fônons de nó de anel e quatro tipos de fônons de Dirac no grafeno.

Os cientistas conduziram um estudo experimental em uma amostra de grafeno de camada única usando um sistema de lentes, um monocromador de elétrons e um analisador de elétrons. Seus resultados experimentais corresponderam às previsões da simulação de computador e eles foram capazes de determinar a estrutura tridimensional dos estados topológicos dos fônons no momento e no espaço de energia.

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Partículas magnéticas poluem o cérebro 23.09.2016

Partículas de magnetita - um mineral com propriedades magnéticas - são frequentemente encontradas em organismos vivos e, neste contexto, geralmente falam de uma sensação magnética: supostamente, a magnetita, movendo-se sob a ação de um campo geomagnético, irrita as células receptoras e, assim, os animais aprendem onde está o norte, onde está o sul e onde estão em geral. O corpo humano também tem magnetita: partículas dela foram encontradas no cérebro cerca de um quarto de século atrás, e recentemente Joe Kirschvink, o geofísico do Instituto de Tecnologia da Califórnia que descobriu a "magnetita humana", relatou que nosso cérebro também pode sentir um campo magnético.

No entanto, a magnetita tem uma desvantagem significativa - estimula o aparecimento de moléculas oxidantes agressivas que danificam proteínas celulares, lipídios e DNA. Por outro lado, sabe-se que ocorre um aumento do conteúdo de partículas de magnetita no cérebro de pacientes com a síndrome de Alzheimer, e que a magnetita de alguma forma aumenta a toxicidade dos complexos proteicos patogênicos formados nas células nervosas dessa doença. E, ao mesmo tempo, acredita-se que toda a nossa magnetita seja biogênica, ou seja, criada pelo próprio corpo através de algum tipo de reação bioquímica. E então surge a questão se as partículas de magnetita são realmente necessárias para a sensação geomagnética - talvez elas se acumulem apenas porque alguns processos patológicos começam no cérebro e o sistema nervoso não consegue lidar com a coleta de detritos perigosos.

No entanto, tudo é realmente mais simples: em um artigo no PNAS, pesquisadores da Lancaster University escrevem que nossa magnetita pode ser a poluição industrial comum que entrou no cérebro do ambiente externo. Barbara Maher e seus colegas de Oxford, as universidades de Glasgow, Manchester, a Universidade de Montana e a Universidade Nacional Autônoma da Cidade do México analisaram amostras de cérebro post-mortem retiradas de dezenas de pessoas que vivem na Cidade do México e Manchester. Havia magnetita nas amostras, mas na maior parte não parecia biológica.

Se uma partícula de magnetita é formada em uma célula, sua forma é um tetraedro ou um octaedro, mas as encontradas no cérebro pareciam arredondadas, esféricas. Essas nanoesferas são obtidas com forte aquecimento - por exemplo, quando o combustível é queimado em motores de automóveis ou simplesmente em fogo aberto. Tetraedros e octaedros biogênicos também existiam, mas para uma partícula biogênica havia pelo menos uma centena de partículas abiogênicas que entravam no cérebro a partir do ambiente externo. Ao longo do caminho, partículas de platina, níquel e cobalto foram encontradas no tecido nervoso, que não podiam entrar no corpo humano de qualquer lugar, exceto do lado de fora.

O tamanho de todas as partículas "externas" é de cerca de 150 nanômetros, então elas são bastante capazes de entrar no cérebro através do nariz e das vias nervosas olfativas. Sabe-se que no ar das grandes cidades, e principalmente ao longo das estradas, muitas partículas de magnetita voam, de modo que os moradores locais podem respirar facilmente a "nanopoeira magnética". Não se sabe se isso confere uma sensibilidade especial ao campo magnético; mas em geral, levando em conta o que foi dito acima sobre a conexão entre a magnetita e a doença de Alzheimer, a questão mais premente aqui é como remover ou neutralizar as partículas que entraram no cérebro para que não tenham tempo de danificar as células nervosas.

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