In last Wednesday’s colloquium, ICTP-SAIFR welcomed Rodrigo Nemmen, from the Institute of Astronomy, Geophysics and Atmospheric Sciences (IAG) of USP. The researcher presented some of his latest works with black holes, focusing on some open questions of the area. Among them were featured the impact of black holes in galaxies, the relation between mass and energy behavior and the production of gas outflows discharged by them.

Star formation

Black holes concentrate a large amount of matter in a small region of space. When compared to the Sun’s mass, these astronomical bodies can be from tens to millions of times greater – in the latter case, they are called supermassive. While there are millions of “smaller” black holes scattered throughout a galaxy, there is a supermassive black hole at the center of each one.

The supermassive black hole Sagittarius A, located in the center of the Milky Way galaxy (NASA)

Although the mass of a supermassive black hole is huge, its gravitational effect is extremely small – the area in which it can have an effect is approximately one million times smaller than the size of the galaxy. However, studies conducted in the late 90s proved that there is a relation between the mass of these bodies and at least the central region of galaxies, called the bulge. So how can a black hole affect regions beyond the reach of its gravitational effect?

“The influence of black holes in galaxies is indirect,” says Nemmen. “In fact, it is the gas outflows that influence the formation of stars”.

Nemmen explains that some black holes “swallow” gas around them and also expel a much larger quantity and with great force. These outflows heat space as they travel and can reach hundreds of thousands of light years when produced by supermassive black holes. As star formation depends on gas cooling, the outflows interrupt the process and leave galaxies with fewer stars when compared to others where black holes don’t emit outflows.

Outflows

Artistic representation of an outflow (NASA)

The explanation of how black holes influence in the formation of galaxies raises other questions: how are outflows produced and what is their energy source?

“There is a kind of outflow that has the form of “rays” of particles and that reach speeds very close to the speed of light”, says Nemmen. “These jets are produced when a strong magnetic field interacts with the black hole and force gas to be expelled”.

The magnetic field is also one of the factors responsible for the intensity of the jets. Another important factor, which causes the amount of emitted gas to be greater than the “swallowed” gas, is the rotational speed of the black hole.

“The spin can make the “efficiency” of the black hole to be greater than 100%, sometimes reaching up to 300%,” says Nemmen. “To power the outflows, the rotational speed decreases over time”.

The origin of the magnetic fields that lead to the production of the jets, however, is a question that still remains unanswered.

Energy behavior

Another question that intrigues Nemmen is related to the behavior of black holes: is there a relation between mass and energy returned to the environment? In a phenomenological study conducted with his collaborators, published in Science, the researcher came to an unexpected result.

“We found that, regardless of its size, black holes have the same behavior in terms of energy returned to the environment”, he says. “In the same study, we found that about 10% of the energy of all gas outflows is transformed into radiation”.

No colóquio da última quarta-feira (23), o ICTP-SAIFR recebeu Rodrigo Nemmen, do Instituto de Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas (IAG) da USP. O pesquisador apresentou alguns de seus trabalhos mais recentes com buracos negros, com enfoque em perguntas dessa área que permanecem em aberto. Entre elas, destacaram-se o impacto de buracos negros nas galáxias, a relação entre massa e comportamento energético e a produção de jatos de gás expelidos por eles.

Formação de estrelas

Buracos negros concentram uma grande quantidade de matéria em uma pequena região do espaço. Em comparação com a massa do Sol, esses corpos astronômicos podem ser de dezenas a milhões de vezes maior – nesse último caso, são chamados de supermaciços. Enquanto há milhões de buracos negros “menores” espalhados pelas galáxias, há também um buraco negro supermaciço no centro de cada uma delas.

O buraco negro supermaciço Sagittarius A, localizado no centro da Via Láctea (NASA)

Embora a massa desses buracos negros supermaciços seja enorme, seu efeito gravitacional é extremamente pequeno –  a área onde consegue exercer efeito é, aproximadamente, 1 milhão de vezes menor do que o tamanho da galáxia. Entretanto, em estudos realizados no final da década de 90, foi comprovado que há uma relação entre a massa desses corpos e, ao menos, a região central de galáxias, chamada de bojo. Como, então, o buraco negro pode afetar regiões fora do alcance de seu efeito gravitacional?

“A influência dos buracos negros nas galáxias é indireta”, diz Nemmen. “Na verdade, são as ejeções de gás expelidas por eles que influenciam na formação de estrelas”.

Nemmen explica que alguns buracos negros “engolem” gás ao seu redor e também expelem uma quantidade muito maior e com grande força. Essas ejeções, chamadas de outflows, aquecem o ambiente por onde passam e têm um alcance que em buracos negros supermaciços pode chegar a centenas de milhares de anos luz. Como a formação de estrelas depende do resfriamento de gases, os outflows interrompem esse processo e deixam as galáxias com uma quantidade menor de estrelas quando comparadas com outras nas quais os buracos negros não emitem outflows.

Outflows

Representação artística de um outflow (NASA)

A explicação de como os buracos negros influenciam na formação das galáxias gera outras perguntas: como os outflows são produzidos e qual sua fonte de energia?

“Existe um tipo de outflow que tem a forma de “raios” de partículas e atinge velocidades muito próximas à da luz”, afirma Nemmen. “Esses jatos são produzidos quando um forte campo magnético interage com o buraco negro e força gás a ser expelido”.

O campo magnético também é um dos fatores responsáveis pela intensidade dos jatos. O segundo, que faz com que uma quantidade maior de gás seja emitida do que “engolida”, é a velocidade de rotação do buraco negro.

“O spin faz com que a “eficiência” do buraco negro possa ser maior do que 100%, podendo chegar a até 300%”, diz Nemmen. “Para ceder energia aos jatos, a velocidade de rotação diminui com o passar do tempo”.

A origem dos campos magnéticos que levam à produção dos jatos, entretanto, ainda é uma pergunta que continua sem resposta.

Comportamento energético

Outra questão que intriga Nemmen é relativa ao comportamento dos buracos negros: há uma relação entre massa e quantidade de energia retornada ao ambiente? Em um estudo fenomenológico com seus colaboradores, publicado na revista Science, o pesquisador chegou a um resultado inesperado.

“Verificamos que, independentemente do tamanho, os buracos negros têm um mesmo comportamento em termos de retorno de energia para o ambiente”, diz ele. “Nesse mesmo trabalho, observamos que cerca de 10% da energia de todos os jatos de gás é transformada em radiação”.

With researchers from ICTP-SAIFR and from other countries, the event discussed Cosmology, Gravitation and the Standard Model

Last week, the XXXVI Encontro Nacional de Física de Partículas e Campos was held in Caxambu, Minas Gerais. Among the main topics discussed were Cosmology, Gravitation and High Energy Physics. Coordinated by Nelson Braga, from UFRJ, the lectures of the event were for the first time divided by themes, instead of the traditional division by areas.

“Having the lectures in a new format was an excellent idea”, said Rogério Rosenfeld, from IFT/UNESP and ICTP-SAIFR, who helped organizing the event.

The meeting was attended by international researchers, as Alexei Starobinsky (Landau Institute for Theoretical Physics, Moscow, Russia), who spoke about inflation models, and Alessandro Strumia (University of Pisa, Italy), who discussed ideas on the Standard Model.

ICTP-SAIFR researchers also attented the event. Nathan Berkovits, director of the institute, spoke about Superstring Theory, and Fabio Iocco discussed his studies on Dark Matter. Also, post-docs Nicolás Bernal and Alberto Tonero presented their work.

Is nature natural?

In one of the event’s talks, entitled “Is nature natural?”, Strumia provoked and discussed ideas related to the Standard Model and to the theories that attempt to go beyond it, such as Supersymmetry. Strumia continued the discussion in a lecture held at the ICTP-SAIFR on Monday.

“Supersymmetry, a theory considered “natural”, is being sought for decades, but no experiment could confirm it so far”, said the researcher. “But the Standard Model, often considered “unnatural”, continues to be proven. So is nature really “natural”?

Theories beyond the Standard Model attempt to explain phenomena that is not yet understood by science, such as dark matter. When questioned on this topic, Strumia said the solution is perhaps to add a new particle to the model, without the need of other theories.

“In my opinion, if we confirm that there are no theories beyond the Standard Model, the physics of this area may become even more interesting than otherwise”.

Evento contou com a participação de pesquisadores internacionais e do ICTP-SAIFR, e discutiu temas como Cosmologia, Gravitação e o Modelo Padrão

Na última semana, foi realizado em Caxambu, Minas Gerais, o XXXVI Encontro Nacional de Física de Partículas e Campos. Entre os principais assuntos discutidos destacaram-se Cosmologia, Gravitação e Física de Altas Energias. Coordenado por Nelson Braga, da UFRJ, as palestras do evento foram pela primeira vez divididas por temas, em vez da tradicional divisão por áreas.

“Realizar o Encontro em um novo formato foi uma excelente ideia”, disse Rogério Rosenfeld, do IFT/Unesp e ICTP-SAIFR, que participou na organização do evento.

O Encontro contou com a presença de pesquisadores internacionais, como Alexei Starobinsky (Landau Institute for Theoretical Physics, Moscou, Rússia), que falou sobre modelos inflacionários, e Alessandro Strumia (Universidade de Pisa, Itália), que discutiu ideias sobre o Modelo Padrão.

Pesquisadores do ICTP-SAIFR também marcaram sua presença. Nathan Berkovits, diretor do instituto, falou sobre a Teoria das Supercordas, e Fábio Iocco discutiu seus estudos sobre Matéria Escura. Além disso, os pós-doutorandos Nicolás Bernal e Alberto Tonero também apresentaram seus trabalhos.

A Natureza é “natural”?

Em uma das palestras do evento, intitulada “A Natureza é natural?”, Strumia provocou e discutiu ideias relacionadas ao Modelo Padrão e a teorias que tentam ir além dele, como a Supersimetria. Strumia continuou a discussão em uma palestra realizada no ICTP-SAIFR na última segunda-feira.

“A Supersimetria, considerada uma teoria “natural”, está sendo procurada há décadas, porém nenhum experimento conseguiu confirmá-la até agora”, disse o pesquisador. ”Já o Modelo Padrão, muitas vezes considerado “não-natural”, continua a ser comprovado. Será que a natureza é, realmente, “natural”?

Teorias além do Modelo Padrão tentam explicar fenômenos que ainda não compreendemos, como a matéria escura. Quando questionado sobre esse assunto, Strumia disse que a solução talvez seja acrescentar uma partícula a mais no modelo, sem a necessidade de outras teorias.

“Na minha opinião, se confirmamos que não há teorias além do Modelo Padrão, a Física dessa área talvez se torne ainda mais interessante do que no caso contrário”.

Last Wednesday, the traditional colloquium held at ICTP-SAIFR addressed the topic of “quantum spin liquids”. Rodrigo Pereira, from the University of São Paulo (USP-São Carlos), spoke about this state of matter that arises when Mott insulators are subjected to low temperatures. Under these conditions, unlike band insulators, it’s possible to modify the spin of its electrons, making their magnetic properties more interesting.

Among the key features of “quantum spin liquids” are the facts that there is no magnetic order of spins – the same way there is a certain disorder of particles in the liquid state of matter when compared to solids – and there is rotational symmetry of spins. Although the existence of a material that could behave as a “quantum spin liquid” has not yet been discovered, there are some possible candidates. In case one of them is confirmed, it would be possible to obtain a superconducting material by altering electron density and inducing a phase transition from the “quantum spin liquid” to the superconductor.

“The area of ​​’quantum spin liquids’ is interesting because it presents theoretical challenges, but also have experimental motivations”, says Pereira.

First proposed in 1973 by American physicist Philip Warren Anderson, the “quantum spin liquid” was at the time a purely theoretical state. In the following decades, with the motivation of studying new states of matter and the growing interest in superconductors, scientists began to wonder whether it was possible to study “quantum spin liquids” in more dimensions, and if this material could actually exist.

“The main motivation for studying ‘quantum spin liquids’, from a theoretical point of view, is that such a material would present exotic properties that wouldn’t fit into current classifications of states of matter, what would open possibilities for new theories”, says Pereira. “Quantum spin liquids may also make an interesting connection between the areas of Condensed Matter and High Energy Physics”.

One of the main candidates to prove the existence of the “quantum spin liquid” state is the herbertsmithite. This mineral was discovered in 1972, in Chile. In 2012, a synthesized form showed some characteristics of “quantum spin liquids”, and studies are still underway to confirm the phenomenon.

The experimental reasons to study “quantum spin liquids” are related to the possibility of the material acting as a superconductor in more natural temperatures. As the materials used today as superconductors require an extremely low temperature to not have electrical resistance, a superconducting material that could work in higher temperatures, among other applications, could lead to large savings in energy transportation.

Na última quarta-feira, o tradicional colóquio realizado pelo ICTP-SAIFR abordou o tema de “líquidos de spin”. Rodrigo Pereira, da Universidade de São Paulo (USP-São Carlos), falou sobre esse estado da matéria que surge quando isolantes de Mott são submetidos a baixas temperaturas. Nessas condições, ao contrário de isolantes de banda, é possível modificar o estado do spin de seus elétrons, tornando suas propriedades magnéticas mais interessantes.

Entre as principais características do “líquido de spin” estão o fato de que não há ordem magnética de spins – assim como há uma certa desordem de partículas no estado líquido da matéria quando comparado com o sólido – e não há quebra de simetria rotacional de spins. Embora ainda não se tenha comprovado a existência de um material que entre no estado de “líquido de spin”, há candidatos possíveis. Caso venham a ser confirmados, seria possível obter um material supercondutor, alterando a densidade eletrônica e induzindo uma transição de fase do “líquido de spin” para o supercondutor.

“A área de ‘líquidos de spin’ é interessante por apresentar desafios teóricos, mas também ter motivações experimentais”, diz Pereira.

Proposto pela primeira vez em 1973 pelo físico norte-americano Philip Warren Anderson, o “líquido de spin” era, na época, um estado puramente teórico. Nas décadas seguintes, com a motivação de estudar novos estados da matéria e o crescente interesse por supercondutores, cientistas começaram a se perguntar se seria possível o estudo de “líquidos de spin” em mais dimensões, e se tal material poderia realmente existir.

“A principal motivação para se estudar ‘líquidos de spin’, do ponto de vista teórico, é que um material como esse apresentaria propriedades exóticas e não se encaixaria em classificações atuais sobre estados da matéria, o que abriria portas para novas teorias”, fala Pereira. “Líquidos de spin também podem fazer uma interessante ponte entre as áreas de Matéria Condensada e Física de Altas Energias”.

O mineral herbertsmithite

Um dos principais candidatos para comprovar a existência do estado “líquido de spin” é o herbertsmithite. Esse mineral foi descoberto em 1972, no Chile. Em 2012, uma forma sintetizada apresentou algumas características de “líquido de spin”, e estudos ainda estão em andamento para a comprovação do fenômeno.

Já as motivações experimentais para o estudo do “líquido de spin” estão relacionadas à possibilidade do material atuar como um supercondutor em temperatura ambiente. Como até hoje os materiais usados como supercondutores precisam de uma temperatura extremamente baixa para não apresentar resistência elétrica, um material supercondutor em temperatura ambiente poderia, entre outras aplicações, levar a grandes economias no transporte de energia.

In July, ICTP-SAIFR welcomed a new post-doctoral student. Jose Hugo Garcia comes to the institute after finishing his doctorate at Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), where he studied methods for doing calculations in disordered systems and applications of these methods in graphene research. Now at ICTP-SAIFR, the physicist intends to continue developing studies in this area.

“I first got to know ICTP-SAIFR through professor Alexandre Rocha, who I collaborated with at the end of my doctorate”, says Garcia. “I’ve been at the institute as a visiting researcher for a few months and liked the environment very much. I met researchers from all over the world and went to events, like Schools and lectures, on a variety of topics for book report help. I think it is great to have this contact with different areas of physics”.

Graphene

Representation of the graphene strucutre

Graphene is a material that consists of a single layer of carbon atoms. Among its main properties are a high electrical conductivity, a small spin-orbit effect, transparency and resistance – graphene is stronger than steel. This makes graphene a strong candidate to replace silicon in transistors of electronic equipment, which would allow the devices to be smaller but with equal or greater efficiency.

However, the possibility of using graphene in electronics rely on some of its properties. One of them, studied by Garcia, is the electronic gap. This feature is what differentiates a material with high electrical conductivity from an insulator: in a conductor, the electronic gap is low for lab report help, while in insulators it is high.

Garcia explains that graphene can be considered a bidimensional system and one of the ways of modifying its properties (and make it, for instance, a semiconductor material useful for the industry) is through the absorption of atoms of other elements in its surface.

“In graphene, the electronic GAP is almost null”, said García. “One of my goals is to seek methods to control this GAP. One way to do this is to add atoms of hydrogen to the structure. Through simulations, I study the interaction between the two materials and observe the effects in graphene”.

The spin-orbit effect is also one of Garcia’s line of research at http://samedayessays.org/thesis-proposal-writing/. As this effect is small in graphene, the orientation of the spins of particles that pass through the material remain the same. However, if the spin could be controlled, graphene could be applied in the spintronic area.

“By controlling the spins, it would be possible to develop spintronic transistors, instead of electronic ones”, says Garcia. “This would allow the development of a new generation of devices, such as hard drives and computer processors, which would be smaller and able to store a much larger amount of information”.

No mês de julho, o ICTP-SAIFR recebeu um novo pós-doutorando. José Hugo García chega ao instituto após a conclusão de seu doutorado na Universidade Federal do Rio de Janeiro, onde estudou métodos de cálculos em sistemas desordenados e aplicações desses métodos em pesquisas com grafeno. Agora no ICTP-SAIFR, o físico pretende continuar desenvolvendo estudos nessa área.

“Conheci o ICTP-SAIFR através do professor Alexandre Rocha, com quem colaborei no final do doutorado”, conta García. “Estive no instituto como pesquisador visitante durante alguns meses e gostei muito do ambiente. Há pesquisadores de todas as partes do mundo e eventos, como Escolas e palestras, sobre uma grande variedade de temas. Acho excelente ter esse contato com diferentes áreas da Física”.

Grafeno

Representação da estrutura do grafeno

O grafeno é um material constituído por uma única camada de átomos de carbono. Entre suas principais propriedades estão uma alta condutividade elétrica, baixo efeito spin-órbita, transparência e resistência – o grafeno é mais forte do que aço. Por esses e outros motivos, o grafeno é um forte candidato para substituir o silício em transístores de equipamentos eletrônicos, o que permitiria com que os dispositivos ficassem menores em tamanho e com eficiência igual ou superior.

Porém, a possibilidade de usar o grafeno na eletrônica depende fortemente de algumas propriedades. Uma delas, estudada por García, é o GAP eletrônico. Essa característica é o que diferencia um material condutor de eletricidade de um isolante: em um condutor, o GAP eletrônico é baixo, enquanto em isolantes é alto.

García explica que o grafeno pode ser considerado um sistema bidimensional e, portanto, uma das maneiras de modificar suas propriedades (e transformá-lo, por exemplo, em um material semicondutor útil para a indústria) é através da absorção de átomos de outros elementos em sua superfície.

“No grafeno, o GAP eletrônico é quase nulo”, explica García. “Um dos meus objetivos é buscar métodos para controlar esse GAP. Para isso, uma das maneiras é adicionar à estrutura do grafeno átomos de hidrogênio. Por meio de simulações, estudo a interação entre os dois materiais e observo os efeitos no grafeno”.

O efeito spin-órbita também é alvo das pesquisas de Garcia. Como ele é baixo no grafeno, os spins das partículas, ao atravessar o material, se mantêm o mesmo. Porém, se o spin pudesse ser controlado, o grafeno poderia ser aplicado na área de spintrônica.

“Com o controle dos spins, seria possível o desenvolvimento de transístores spintrônicos, em vez de eletrônicos”, diz García. “Isso permitiria o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos, como discos rígidos e processadores de computador, que além de menores poderiam armazenar uma quantidade muito maior de informação”.