Bastidores de um PRL

Na semana passada tive um trabalho publicado  na prestigiosa revista Physical Review Letters (ou simplesmente "PRL"), escrito em parceria com os amigos/colaboradores Edson Vernek, Gerson Ferreira (ambos da Universidade Federal de Uberlândia), Caio Lewenkopf (Universidade Federal Fluminense) e Sergio Ulloa (Ohio University).

Este artigo foi resultado de mais de três anos de pesquisa e árduo trabalho. Eu gostaria de compartilhar com os leitores do blog um pouco dos bastidores para ilustrar como é tortuoso o caminho entre uma ideia inicial e uma publicação em uma revista de alto impacto.

- O início: os resultados experimentais do ETH

Tudo começou com uma visita do Caio ao ETH-Zurique em abril de 2014. O grupo do Klaus Ensslin tinha uns resultados experimentais interessantes "saindo do forno" e queriam discutir alguns pontos que não estavam entendendo.

O experimento do grupo do ETH envolvia medidas de alta precisão da corrente elétrica em um "circuito" nanoscópico formado por um ponto quântico acoplado a uma "cavidade" e ambos conectados a contatos metálicos pelos quais passa uma corrente elétrica. O esquema deste circuito está ilustrado na figura abaixo.

Experimento do grupo do ETH.Esq. esquema do "circuito" nanoscópico. Dir: medidas da condutância para o casos de acoplamento fraco (acima) e forte (abaixo) entre ponto quântico e cavidade. Adaptado de PRL 115 166603 (2015)

O experimento consiste, basicamente, em passar uma corrente elétrica que sai da fonte ("source") e é coletada em um sumidouro ("drain"). Mede-se então a condutância através do dispositivo, formado por um ponto quântico ("dot") e uma cavidade ("cavity"), que são regiões onde os elétrons ficam temporariamente confinados. Um aspecto importante é que existe um controle bastante grande nos parâmetros, tais como tensões de gate aplicadas no ponto quântico e na cavidade e a temperaratura. Vale ressaltar que tudo é feito a temperaturas baixíssimas (menos de 4 Kelvin) de modo que o sistema é refrigerado a Hélio líquido. Hoje em dia, isto é algo standard neste tipo de experimento. O interessante é que o sistema é pequeno e limpo o suficiente para que efeitos da natureza ondulatória do elétron (previstos pela mecânica quântica) se manifestem. 

A figura à esquerda mostra uma imagem do circuito propriamente dito feito com um microscópico eletrônico. A tecnologia empregada para fazer o dispositivo é impressionante. O grupo do ETH domina técnicas de litografia capaz de "desenhar" tais estruturas (e fazer os contatos funcionarem!) com alguns nanômetros de precisão. Para dar uma ideia, o maior elemento no circuito é a cavidade, que tem um comprimento de cerca de 1 micron. Isto é cerca de cem vezes menor que a espessura de um fio de cabelo humano.  Sem falar na alta qualidade da amostra de semicondutor (arseneto de gálio) sobre o qual a estrutura foi feita: as amostras saem do laboratório de Werner Wegscheider (que, por sinal, esteve recentemente no Brasil), um dos melhores do mundo no que faz.

Sem a cavidade, o que temos é o tunelamento de elétrons através do ponto quântico, o que resulta em uma sequência de picos na condutância separados por vales de condutância baixa, causados pelo chamado bloqueio de Coulomb dos elétrons. Se a temperatura for muito baixa (da ordem de dezenas de mili-Kelvin), algo um pouco mais exótico pode ocorrer: o efeito Kondo, cuja assinatura é o aumento da condutância em alguns dos vales. Se a cavidade estiver presente, a natueza ondulatória do elétron se manifesta e a formação de padrões de interferência dos elétrons influem nos resultados das medidas da condutância.

Estes resultados aparecem no experimento no caso em que o acoplamento do ponto quântico com a cavidade é baixo. Neste caso, o transporte através do sistema é uma sequência de picos (Figura à esquerda) que advém de uma mistura do efeito Kondo com a cavidade. No entanto, algo diferente aparece para o caso de acoplamento alto: os picos são suprimidos e viram "vales". Este último era o resultado que o pessoal do ETH não entendia.

- Formulando o modelo

Caio mostrou estes resultados para mim e para o Sergio Ulloa, que já tinhamos escrito um artigo publicado no PRL em 2006 fazendo uma análise teórica/computacional de um sistema parecido com o do ETH. Durante o ano de 2014, eu trabalhei em uma modificação do nosso modelo anterior para incluir a cavidade, bem como  na implementação do código de simulação computacional do modelo. Os primeiros resultados saíram no final de 2014 e início de 2015 e eram promissores.

Em maio de 2015, o Klaus Ensslin veio ao Brasil participar do 17o Brazilian Workshop on Semiconductor Physics em Uberlândia, organizado pelo Edson e pelo Gerson. Conversamos sobre o tema e mostrei alguns dos resultados preliminares. Ele achou interessante mas perguntou se eu havia calculado a condutância, o que ainda estava por fazer. Nesta mesma conferência, conversei com o Edson e com o Gerson e soube que estavam interessados no mesmo problema. Decidimos unir forças.

- Os primeiros problemas

Logo percebemos que o cálculo da condutância era um problema difícil. O procedimento-padrão para este cálculo neste tipo de sistema é usar a fórmula de Landauer ou, no caso, a extensão para sistemas interagentes proposta por Meir e Wingreen em um famoso paper de 1992. O problema é que a fórmula de Meir e Wingreen se aplica a uma classe de dispositivos em que a geometria do acoplamento com os contatos obedece à chamada condição de "acoplamento proporcional".

Em termos simples, isto significa que se um sistema está acoplado a dois contatos (L e R), para todo caminho que leva do contato L ao sistema. tem que haver um acoplamento parecido do sistema para o contato R. Além disso, as intensidades dos acoplamentos L-sistema e sistema-R tem que ser proporcionais entre si.

Representação do nosso modelo para o circuito. Adaptado de PRL 119 116801 (2017) 

Isto definitivamente não era o caso do sistema do ETH. Como mostra a figura acima, a cavidade estava acoplada ao contato da direita (R) mas não ao da esquerda (L).

Estávamos em um impasse: ou desistíamos do cálculo da condutância ou tentávamos fazer algum tipo de generalização da fórmula de Meir e Wingreen para sistemas que não obedecem o acoplamento proporcional, algo que nunca havia sido feito. Decidimos tentar a segunda (e audaciosa) opção. 

Em meados de 2015, o Caio veio à USP passar um tempo visitando o grupo do Adalberto Fazzio e aproveitamos para trabalhar neste problema. Ele teve um insight e vimos que, no nosso caso, seria possível escrever uma expressão para a condutância mas que não seria simples. As manipulações algébricas eram longas e tediosas. De qualquer modo, tínhamos encontrado o fio da meada.

- Bugs e mais bugs...

Encontramos uma expressão e trabalhei no código computacional para fazer as contas. Parecia tudo bem mas havia um problema grave: para alguns valores de parâmetros, a expressão da condutância retornava valores que não faziam sentido físico nenhum. Ou seja, havia algum erro no código ou nas contas.

O código foi exaustivamente rechecado e parecia ok. O Gerson escreveu um outro código para testar uma versão mais simples do modelo e o resultado batia com o meu. Chegamos à conclusão que o problema era nas contas. Este processo de checagem e re-checagem levou quase um ano (!).

Em outubro de 2016, o Edson veio a São Paulo e decidimos abrir todas as contas até achar o problema. Colocamos tudo em um grande quadro negro da sala de seminários do DFMT no Instituto de Física da USP (foto abaixo) e procuramos por algo errado.

Depois de algumas horas olhando as contas, finalmente encontramos o erro.

Eu (dir) e Edson Vernek (esq) no dia em que encontramos o erro nas contas. 

- Escrevendo o paper

Com o cálculo da condutância resolvido, a coisa andou rapidamente. Encontramos um regime de parâmetros compatíveis com os utilizados no experimento e as nossas curvas de condutância concordavam bastante bem com os dados experimentais (figura abaixo): para um acoplamento fraco entre o ponto quântico e a cavidade, a condutância apresentava picos enquanto que no caso de acoplamento forte os picos viravam vales. 

Além disso, mostramos que o efeito Kondo estava sempre presente, algo que o pessoal de Zurique argumentou que não ocorria. Estávamos oferencendo uma interpretação alternativa, em que a diferença entre os dois regimes era causada essencialmente de interferências quânticas e não por uma supressão do efeito Kondo.

Resultados do nosso modelo (esquerda) reproduzem qualitativamente os resultados experimentais (direita): picos na condutância para acoplamento fraco se tornam vales quando o acoplamento é forte. 

Submetemos o artigo ao PRL em fevereiro de 2017. Recebemos o primeiro round de reviews em maio. Um dos referees recomendou o paper para publicação e o outro concordava que o paper era bom e interessante mas não achava que tinha novidade suficiente para um PRL (recomendou publicação no PRB). Recorremos e oferecemos novos argumentos, mostrando que a extensão da fórmula de Meir-Wingreen que derivamos não era trivial. Afinal, era um problema em aberto há mais de 20 anos. Também refizemos algumas contas e obtivemos resultados ainda mais condizentes com os do experimento. 

Na resubmissão, o paper foi para um terceiro referee que concordou com nossos argumentos. O paper estava aceito.

- Afinal, o sucesso!

Recebemos a notícia logo antes do 18o Brazilian Workshop on Semiconductor Physics que eu e o prof. Felix Hernandez organizamos este ano e do qual todos os autores (Edson, Gerson, Caio, Sergio e eu) participamos. Resolvemos fazer um brinde para comemorar.

A partir da esquerda: Edson Vernek, Caio Lewenkopf, Gerson Ferreira, Sergio Ulloa e eu.

No geral, este trabalho mostra que o caminho até um resultado importante pode ser longo e árduo. Foram 3 anos de trabalho e, por mais de uma vez, achei que seria difícil emplacar um PRL. O esforço acabou recompensado.

O Prêmio Nobel de Física de 2016 e a conexão com os isolantes topológicos

O Prêmio Nobel de Física de 2016 foi conferido a David Thouless (University of Washington), Duncan Haldane (Princeton University) e Michael Kosterlitz (Brown University) por suas várias e importantes contribuições no estudo de transições de fase topológicas e, mais genericamente, na descoberta de fases topológicas da matéria. Thouless recebeu metade do prêmio e Haldane e Kosterlitz dividiram a outra metade. Curiosamente, os três são britânicos (Thouless e Kosterlitz são escoceses e Haldane é inglês) mas passaram boa parte de suas carreiras nos Estados Unidos.

Especulações em torno de um Nobel a Thouless já estavam no ar há algum tempo. Além de suas contribuições diretamente ligadas ao prêmio deste ano, ele tem trabalhos importantes em sistemas desordenados (o “tempo de Thouless” é o tempo de difusão característico em condutores difusivos), vidros de spin e em supercondutividade. Os trabalhos com Michael Kosterlitz em transições de fase em sistemas 2D já haviam sido reconhecidos em 2000 com o prêmio Lars Onsager da American Physical Society. Ele também teve grande participação na interpretação da condutância Hall em termos de um “invariante topológico” (conhecido como “invariante Thouless-Kohmoto-Nighting-Nijs” ou simplesmente “TKNN”), o que justifica o fato de ter levado metade do prêmio.

Haldane, por sua vez, também teve outras contribuições importantes em matéria condensada além de seus trabalhos em sistemas com fases topológicas. Um de seus artigos mais influentes se refere a um estudo de scaling no modelo de Anderson de impurezas magnéticas, onde é apresentada a famosa “fórmula de Haldane” para a temperatura de Kondo em termos dos parâmetros do modelo.

Topologia em sistemas eletrônicos

O Prêmio deste ano destaca o papel da topologia nas propriedades de sistemas eletrônicos. Este assunto foi bastante proeminente nos anos 80 com a descoberta do efeito Hall quântico por Klaus von Klitzing e colaboradores e pelo qual von Klitzing levou o Prêmio Nobel em 1985. O efeito Hall quântico (QHE) é caracterizado pela quantização da condutância de um “gás de elétrons” bidimensional na presença de um campo magnético ortogonal aplicado ao plano do gás. Uma particularidade importante é que o interior do sistema permanece com um gap de energia em seu espectro, uma característica típica de isolantes. Ainda assim, o transporte eletrônico ocorre devido à presença de estados metálicos na borda do sistema com uma orientação específica de circulação (“quiralidade”) que aparece devido à quebra da simetria de reversão temporal pelo campo magnético externo (vide Figura 2 abaixo).

Ou seja, é um sistema estranho: nem totalmente isolante, nem, de fato, um metal. Rapidamente chegou-se à conclusão de que o estado Hall quântico é, de fato, um estado da matéria que não entra no paradigma de Landau: são isolantes volumétricos (``bulk") mas apresentam condução por estados de borda quirais. Assim, não é possível descrever a transição para o estado topológico por uma quebra de simetria caracterizada por um “parâmetro de ordem” como ocorre com outros estados da matéria.

Analogia entre o “número de buracos” de um objeto e o invariante topológico TKKN, que define o valor da condutância no efeito Hall quântico. Fonte: nobelprize.org 

O invariante TKNN e o modelo de Haldane

Parte deste quebra-cabeça foi resolvido em 1982. Em uma bela demonstração, Thouless, juntamente com Mahito Kohmoto, Peter Nightingale e Marcel den Nijs (TKNN) associaram a condutividade do sistema Hall a um “invariante topológico", no caso, um “número de Chern". Este número é invariante frente a deformações que não alterem a topologia dos estados de Bloch na zona de Brillouin de um isolante Hall com um dado fator de preenchimento. 

Isto é exemplificado na figura acima, que mostra a popular analogia com o número de “buracos” N_b de um objeto, representando o invariante topológico. Como é possível deformar uma esfera em um copo sem abrir nenhum buraco, ambos são topologicamente equivalentes, caracterizados pelo mesmo valor N_b=0. Já uma xícara tem N_b=1, sendo topologicamente distinta do copo e de um óculos (N_b=2), e assim por diante.

O invariante TKNN também assume valores inteiros (correspondentes ao fator de preenchimento) e Thouless e colaboradores mostraram que a condutância do efeito Hall é diretamente proporcional a este número. Assim, cada platô na condutância Hall corresponde a um estado de topologia distinta, representado pelo fator de preenchimento, como mostrado na Figura 1 acima. Um importante aspecto é que, nesta formulação, os platôs de condutância são naturalmente robustos frente a deformações no sistema que não alterem o fator de preenchimento tais como mudanças na geometria da amostra, presença de centros espalhadores, potenciais confinantes, etc. Neste sentido, podemos nos referir a sistemas que apresentam o QHE como “isolantes topológicos", termo bastante em voga hoje em dia.

Estados de borda quirais no efeito Hall quântico (esq) e estados de borda helicais no efeito Hall quântico de spin (dir). Fonte: Maciejko et al. Annu. Rev. Cond. Matt. Phys. 2, 31–53 (2011)

Por muitos anos, o QHE foi o único representante de um isolante topológico, o que levou a várias tentativas de construir modelos com características similares. Em 1988, Duncan Haldane publicou um artigo no Physical Review Letters em que abordava a seguinte questão: É possível encontrar em um sistema que preserve a simetria de reversão temporal e que, ao mesmo tempo, apresente uma condutância Hall descrita por um invariante topológico? A resposta é sim. Haldane elaborou um modelo para férmions “sem spin” em uma rede hexagonal onde os fluxos magnéticos locais em cada hexágono tem sinais alternados de modo a manter o fluxo magnético global igual a zero, preservando assim a simetria de reversão temporal do sistema. O resultado é um isolante no bulk com simetria de reversão temporal e que, ao mesmo tempo, possui estados de borda metálicos e topologicamente protegidos. A caracterização é feita por um número de Chern que assume valores 0 ou ±1, em contraste ao caso TKNN, em que o número de Chern assume valores inteiros (0,1,2,3,...).

O efeito Hall quântico de spin e os isolantes topológicos

Apesar de interessante, faltava ainda encontrar um sistema físico em que o modelo pudesse ser aplicado. O próprio Haldane admite no artigo que “é pouco provável que o modelo específico apresentado aqui seja diretamente realizável em um sistema físico”. Em 2005, esta questão foi ressuscitada por Charles Kane e Eugene Mele em dois artigos publicados no Physical Review Letters (cada um já conta com mais de 2000 citações). Em um dos artigos, eles consideram duas “cópias” do modelo de Haldane para descrever um sistema eletrônico com spin, que também será caracterizado por invariante topológico Z₂ que assume apenas os valores 0 (fase “trivial”, equivalente a um isolante comum) e 1 (fase “topológica”). A fase topológica apresenta o que eles denominam “efeito Hall quântico de spin”, caracterizado por estados de borda metálicos helicais (não apenas quirais como no efeito Hall usual) em que elétrons com spins distintos se propagam em direções opostas, como mostrado na figura acima.

Uma consequência importante é que estes estados são “topologicamente protegidos”: elétrons de spins diferentes “não se enxergam” de modo que a condutância através dos estados de borda é perfeitamente quantizada. Posteriormente, os mesmos autores aplicaram esta ideia ao grafeno na presença de uma interação spin-órbita (erroneamente superestimada no trabalho, como se comprovou depois), que seria então a realização experimental de um “isolante topológico em 2D ".

Em termos gerais, as ideias de Kane e Mele ecoam às de Thouless e colaboradores e de Haldane, com uma diferença crucial: a helicidade dos estados de borda. Isolantes topológicos em 2D contam com dois estados contra-propagantes e de spins opostos protegidos pela simetria de reversão temporal em cada borda (vide figura acima). De qualquer modo, é inegável que os trabalhos de Thouless e Haldane tiveram influência direta no surgimento da atual “onda” de trabalhos no tema de isolantes topológicos.

A promessa de um estado topológico no grafeno, no entanto, ainda não se concretizou, embora a intensa pesquisa no tema tenha levado à descoberta do efeito Hall quântico de spin em outros materiais como poços quânticos de HgTe. A fenomenologia de isolantes topológicos foi descoberta também em sistemas 3D à base de bismuto como Bi₂Se₃ e Bi₂Te₃. Por tudo isso, Kane é outro personagem frequentemente lembrado nas apostas para levar um futuro prêmio Nobel. Mas isto será assunto para um outro artigo.


Texto originalmente publicado no Boletim Informativo do IFUSP em 14/10/2016

O quão grave é a crise financeira da USP?

Imagine que você seja o sìndico de um prėdio que arrecada R$ 100 mil por mês em condomínios. O problema é que você tem que pagar R$ 104 mil em salários ao zelador, porteiros, faxineiros, etc. Todos esses funcionários tem estabilidade (não podem ser demitidos) e os moradores não querem nem ouvir falar em aumento no valor do condomínio. A reserva de caixa que você usa para pagar as contas e manter os elevadores funcionando acaba em um ano. O que você faz?

Bem-vindo à crise da USP.

Segundo dados da Coordenadoria de Administração Geral (CODAGE), entre janeiro a julho de 2016 a Universidade de São Paulo recebeu uma média mensal de R$ 374,6 milhões em repasses relativos à quota-parte do ICMS. Ocorre que, no mesmo período, a USP gastou uma média de R$ 392,4 milhões em salários (vide tabela abaixo). Ou seja, mais de 104% de compromentimento das receitas com folha de pagamento. Esse número só tende a piorar, dado que a arrecadação do ICMS está em queda.

De onde vem, então, o dinheiro para cobrir essa diferença e todo o resto do custeio (luz, água, manutenção, investimentos, etc.)? Tem vindo de uma reserva financeira que a USP construiu ao longo dos anos. Segundo um parecer da Comissão de Orçamento e Patrimônio (COP) do Conselho Universitário da USP, esta reserva estava em R$1.382 milhões no final de abril, com previsão de ficar em R$592 milhões ao final de 2016. 

Com base nesses dados e fazendo uma conta simples (a famosa "regra de 3" que os vestibulandos adoram), chegamos à conclusão que as reservas estão diminuindo a uma taxa de aproximadamente R$ 98 milhões por mês (obviamente isso varia mês-a-mês mas é uma estimativa razoável).  Em outras palavras, se nada mudar, estas reservas terminarão em junho do ano que vem. 

Mesmo com um reajuste pequeno nos salários (de 3%, beeem abaixo da inflação acumulada), essa taxa subiria para R$ 109 milhões por mês, segundo a COP. Isso significa que o dinheiro acaba mais cedo, possivelmente no final de abril/início de maio de 2017 (estimativa minha).

Depois disso, nada. Zero. zilch, nothing.

Quais as alternativas e cenários? A reitoria não tem dado muitas, além do discurso de "conter gastos". Parece até uma estratégia deliberada até que a situação chegue a níveis insuportáveis, inclusive com atraso no pagamento de salários e do 13o. Isto é o que está nas entrelinhas de uma mensagem do Gabinete do Reitor em 11 de maio último sobre a declaração de greve dos funcionários:

Esse tipo de provocação não faz parte das relações modernas entre servidores e a administração da instituição, e adquire ainda mais gravidade nesse momento de grandes incertezas políticas e econômicas, com desemprego crescente, perda de valor de salários, redução brutal de receitas públicas e até atrasos e suspensão de pagamentos de salários por entes públicos.

 A solução proposta pelos sindicatos (Sintusp e Adusp) é simples: deem-nos mais dinheiro. Isso é a base da chamada "luta" contra o aumento de 3%   e por mais repasses de recursos  Acho improvável um aumento nos repasses do governo estadual na atual conjuntura. Tal demanda é é inócua frente a uma pressão de boa parte da sociedade (e do próprio governo do PSDB) contrária ao aumento de gastos públicos. 

O que me preocupa de verdade são que greves na USP acabam sendo um tiro no nosso próprio pé na medida que provocam reações como as ilustradas abaixo. São comentários de uma noticia recente da Folha sobre uma passeata de funcionários da USP em greve:

Embora exista o "troll bias" (um viés de crítica rançosa e sem fundamentos típica da Internet) nesses comentários, meu sentimento é que este tipo de pensamento está cada vez mais comum. Estamos perdendo a batalha que realmente importa: a de mostrar à sociedade paulista e brasileira o que significa ter uma univesidade de pesquisa de ponta em um país como o Brasil. Mostrar que, na USP, a grande maioria dos docentes e servidores trabalha, e muito (hoje, Domingo, estou rodando simulações computacionais e trabalhando em outro artigo, além de corrigir projetos de alunos e escrever este post).

Sem o apoio da sociedade, a "luta" estará, de fato, perdida.

Entrevista ao blog Aleatoriedades Científicas

Nesta semana, dei uma entrevista ao blog Aleatoriedades Científicas (ou não).

O blog é gerido por dois estudantes (Rafael Azevedo e Mateus Galdino) do curso de Química da USP e é voltado para os próprios estudantes de Graduação, com video-aulas, entrevistas e outros conteúdos,

Achei a iniciativa bastante positiva e fico feliz de poder ter contribuido com o projeto.

Na entrevista, falo um pouco de minha carreira, de como é ser um pesquisador em Física e também sobre temas de interesse direto dos estudantes como iniciação científica e até empreendorismo (!).

O Rafael foi meu aluno no único curso de Laboratório que ministrei na USP até hoje. Não deixa de ser irônico já que, na entrevista, eu conto um episódio que me fez ter certeza que não seria um bom físico experimental.

Confira o audio da entrevista:

ou faça o download do mp3 aqui.

Virada Científica 2015

Participei hoje da Virada Científica da USP, promovida pela Pró-Reitoria de Cultura e Extensão. Trabalho totalmente voluntário mas muito gratificante.

É uma oportunidade rara de "abrir" os Institutos científicos da USP para interagir com a sociedade, o que é sempre muito bom. O Instituto de Física, por exemplo, promoveu visitas a laboratórios de pesquisa, demonstrações, e uma exposiçâo sobre um dos pioneiros da Física no Brasil, Giuseppe Occhialini.

Hoje dei uma de "produtor/diretor"  para gravar depoimentos dos participantes da Virada no IF e depois postar no canal do YouTube da Virada. Muita garotada, pais com filhos, prê-vestibulandos decidindo carreira, curiosos. Mas todos com alguma idéia do que a Ciência pode (ou não) fazer pela sociedade.

Me espantou a clareza de racicínio de alguns depoimentos. Vejam, por exemplo, o que a Isabela de 17 anos fala sobre "que tipo de problema a Ciência pode ajudar a resolver".

PS - Agradecimento especial ao Alexsandro Kirch pela ajuda com os videos e ao prof. Marcelo Munhoz e à Mônica Pacheco da Comissão de Cultura e Extensão do IF-USP pelo "apoio logístico."

Diário de Viagem: BWSP

Voltando a blogar, aproveito para fazer um update nas conferências. Maio foi um mês agitado neste sentido. Comecemos com o 17th Brazilian Workshop in Semiconductor Physics em Uberlândia, MG.

Essa é uma das minhas conferências favoritas. Por ser realtivamente pequena (120-150 pessoas), a BWSP é montada em uma única sessão de talks, sem sessões paralelas, o que permite que todo mundo acompanhe a conferência inteira.

Os convidados deste ano foram de alto nível, como vem ocorrendo nas últimas conferências. Meus destaques vão para Klaus Ensslin do ETH Zurich, uma boa turma em isolantes topológicos: Andrei Bernevig (Princeton), Ewelina Hanckiewicz (Wursburg) Benedikt Scharf (Buffalo), e também trabalhos interessantes em grafeno de Eva Andrei (Rutgers) e Nancy Sandler (Ohio University), esta última colaboradora e amiga de longa data.

Klaus falou de um experimento recente com quantum dots no regime Kondo  acopladas a cavidades. Como ele gentilmente mencionou no talk, eu, Nancy Sandler, Sergio Ulloa e Kevin Ingersent trabalhamos em um modelo parecido há algum tempo. Os resultados dele parecem confirmar o que havíamos previsto: um "splitting" da ressonância de Kondo devido ao acoplamento com a cavidade. A interpretacao que6 eles dão é um pouco difererente (discutimos isso longamente...) mas acho que a Física é essencialmente a mesma.

Outra que falou de coisas relacionadas a trabalhos recentes em que estive envolvido foi a Eva Andrei de Rutgers. Seu seminário centrou em experimentos de STM em grafeno suspenso com vacâncias: defeitos na rede do grafeno provocados pela ausência de átomos de carbono. Ao final da palestra, fiz uma pergunta sobre a possibilidade de ela ver sinais de efeito Kondo neste tipo experimento, uma vez que outros grupos relataram assinaturas deste tipo de efeito na literatura.

Eva respondeu que tinha alguns resultados nesse sentido mas que faltava uma teoria para explicar o mevanismo. Bom, eu, Vladimir Miranda e Caio Lewenkopf (ambos da UFF) recentemente propusemos um mecanismo justamente neste caso. Foi uma boa discussão científica além de uma oportunidade para fazer propaganda do trabalho.

Outro seminário inteeessante foi o do Andrei Bernevig. Ele deu um excelente tutorial sobre isolantes topológicos usando apenas o quadro negro, Em breve, postarei mais sobre o assunto.

O lugar: 

Localizada no Triângulo Mineiro, uma das regiões mais prósperas de Minas, Uberlândia alia boa qualidade de vida a um custo relativamente baixo. Por ser uma cidade média (em torno de 700 mil habitantes) e boa estrutura, a cidade tem atraído muita gente boa que prefere sair dos grandes centros em prol de uma melhor qualidade de vida. 

Um exemplo é o Departamento de Física da Universidade Federal de Uberlândia, que tem feito excelentes contratações nos últimos anos. Não duvido que a UFU logo, logo seja a "2a força" em Física de Minas, concorrendo diretamente com a UFMG. 

Como das outras vezes que estive lá, o destaque foi para as churrascarias e para o queijo meia-cura que comprei no Mercado Municipal.

E se houvesse eleição para a Bolsa de Produtividade do CNPq?

Assistindo a esses debates, me pergunto: e se a Bolsa de Produtividade em Pesquisa do CNPq fosse obtida através de uma eleição? Com direito a debate ao vivo, retórica de políticos profissionais e ataques bolados por marqueteiros? Acho que seria mais ou menos assim:

Moderador: Bem-vindos ao Debate entre candidatos à Bolsa de Produtividade do CNPq. De um lado, a Candidata A, candidata à renovação de sua Bolsa de nível 1. Temos do outro lado o candidato B, que tenta passar ao nível 1 pela primeira vez. As regras foram acertadas com as assessorias dos candidatos. A Candidata A começa perguntando e teremos réplica e tréplica.

Candidata A: - Candidato, me assusta a sua baixa produtividade ao longo dos últimos 5 anos.  O senhor, candidato, publicou apenas 11 papers, sendo que o senhor não é primeiro autor em nenhum. Como explicar esse fracasso ao povo brasileiro?

Candidato B: - Candidata, a senhora está sendo leviana, distorcendo os fatos. Minhas publicações foram TODAS, repito, TODAS em revistas de impacto maior que 2. Sim, candidata, boas revistas, difíceis de publicar. Não aceito críticas injustas, candidata. E não sou o primeiro autor porque esse é um privilégio para meus alunos e pós-docs, que tomaram a liderança nos papers.

A: - Candidato, o fato é que a sua produção é pequena. Veja você, telespectador, que nosso grupo publicou 23 artigos nesses últimos 5 anos. Sim, mais do que o dobro da produção do candidato. Essa é a marca do nosso compromisso com o avanço da ciência nesse país.

Moderador: Agora o Canditado B faz a sua pergunta.

B: - Candidata, me impressiona a senhora ter a coragem de dizer ao povo brasileiro que avançou a ciência. Seus artigos tem todos mais de 5 autores e vários deles foram publicados em proceedings de conferências! Isso não é avanço, candidata, isso é retrocesso, uma confirmação da política do "quanto mais, melhor" e que baixa o nivel médio das publicações brasileiras. O que a senhora acha disso?

A: - Candidato, minha pesquisa é experimental e envolve bastante gente pela própria natureza do que fazemos. É um esforço colaborativo, fruto de um trabalho em equipe, diferente do individualismo selvagem dos seus trabalhos teóricos. Sim, candidato, faço questão que meus alunos viajem para conferências importantes e apresentem seus trabalhos e, por que não?, publiquem em proceedings. Nada mais justo pelo enorme trabalho que eles tiveram.

Lembro ainda ao candidato que esses meus artigos geraram mais citações que os seus artigos, candidato. Nem sempre "boas revistas" geram impacto!

B: - Candidata, publicar em proceedings serve apenas para atender aos interesses das grandes editoras, como Elsevier e Springer, que apoiam a sua campanha, candidata. E vamos falar de citações: meus artigos têm média de 10 citações por artigo, quase o dobro da média dos seus artigos. Números absolutos não contam toda a história, candidata, e o eleitor sabe disso. Sabe diferenciar um projeto de qualidade de outro, que preza apenas pela quantidade. Nosso projeto é o melhor, que tem maior potencial para gerar citações, que são o futuro do país.

Moderador: Candidata A, a sua pergunta.

A: - Candidato, os números não mentem. O fato é que nossos artigos tiveram 120 citações nos últimos 5 anos e os seus tiveram apenas 110. Simples assim, candidato. E nossas citações beneficiaram a carreira de vários cientistas iniciantes, que podem agora lutar por melhores condições no mercado de trabalho. O que o senhor acha da situação do emprego de nossos jovens doutores?

B: - A candidata admite que a sua política assistencialista de publicar artigos com vários autores para maximizar o efeito de citações. Por favor, candidata, seja sincera com o povo brasileiro. Nos diga que essa sua política, na verdade, não dá maturidade aos nossos jovens pesquisadores, não os ensina a pescar, candidata! Que tipo de profissionais estamos formando?

A: - Candidato, o senhor está mal-informado. No que se refere à formação, nossos jovens doutores estão sendo bem formados, com experiência internacional e publicando artigos. Os números não mentem: o número de artigos publicados e citações vem crescendo a cada ano e isso tem se refletido no benefício à ciência brasileira, à carreira dos nossos alunos.

Moderador: A última pergunta do bloco será feita pelo Candidato B.

B: - Candidata, me manterei nesse mesmo assunto. A senhora diz no seu curriculo Lattes que formou 5 alunos de Mestrado e 2 alunos de Doutorado nesses últimos 5 anos. Me pergunto, candidata, como a senhora teve tempo para isso? Em nosso grupo, a formação de alunos é algo que levamos muito a sério, e damos apoio individualizado a cada aluno e pós-doc, com ênfase nos cursos básicos e na formação em técnicas teóricas e computacionais. Isso tudo leva tempo, candidata! O povo brasileiro quer saber quem, de fato, está por trás dessa "formação em série"?

A: - Candidato, a resposta é muito simples: o trabalho incansável de todo o nosso grupo. Professores jovens, técnicos de laboratório, pós-docs, todos põem a mão na massa e trabalham no alinhamento dos lasers, nas bombas de vácuo, na briga pelo hélio líquido. Enfim, estamos trabalhando, candidato, e o fruto deste trabalho é a formação desses jovens talentos, sob minha liderança. De novo, os números não mentem, candidato. Na verdade, me espanta o baixo número de alunos formados no seu grupo.

B: - De novo, candidata, a senhora desconhece nosso trabalho. Nosso aluno de doutorado acabou de defender a tese e vai fazer pós-doc em Stanford por conta da boa formação que ele teve aqui. Aqui prezamos pela qualidade na formação dos nossos alunos, candidata! Nossos 2 alunos de mestrado já trabalham com teoria quântica de campos e vão cumprir excelentes projetos de Doutorado com sanduíche no exterior. São poucos, mas teremos bastante impacto.

Moderador: Com isso concluímos este bloco... Perdão? A Candidata A pede direito de reposta para esclarecer que um ex-aluno seu está em Los Alamos... Produção? Pedido negado, candidata.

Voltamos a seguir, com as considerações finais dos candidatos.

A crise da USP em números.

A crise da USP chegou a um ponto em que está afetando suas irmãs paulistas. A proposta de 0% de aumento salarial feita pelo CRUESP (conselho de reitores das três universidades paulistas) parece inaugurar uma nova era de contenção de gastos e de austeridade nas universidades estaduais de São Paulo, com as previsíveis consequências negativas para toda a sociedade paulista (e brasileira, como um todo).

Em uma carta recente à comunidade, o novo Reitor da USP argumenta que, embora vários fatores contribuam (gastos com obras grandes no campus, por exemplo), o cerne do problema está no tamanho da folha de pagamento. Os dados fornecidos mostram que o orçamento da USP está 100% comprometido com a folha. Todo o resto (custeio, melhorias no campus, investimentos em pesquisa, etc.) tem vindo de uma reserva que a universidade construiu ao longo dos anos. Em outras palavras: estamos torrando nossa poupança a uma taxa de R$ 1 bilhão por ano para pagar salários e manter a Universiade funcionando.

Para ter uma idéia melhor dos números por trás da crise, fui atrás dos dados do CRUESP, disponíveis aqui. O gráfico abaixo mostra o peso percentual da folha de pagamento no orçamento total das três universidades paulistas desde 2009.

Fonte: dados do CRUESP (link)

Como mencionado na carta do Reitor, a USP passou de uma situação "confortável" de 80% de compromentimento da folha em 2009 aos 100% atuais. Já o aumento na Unesp e Unicamp foi bem menos acentuado, chegando à casa dos 90%.

O que a carta não menciona é que o "salto" do peso da folha foi bem maior na USP do que na Unicamp ou na Unesp. Em apenas um ano (2011 a 2012), o comprometimento da folha da USP saltou 14 pontos percentuais. Isso é muito maior que os aumentos na Unesp e na Unicamp no mesmo período, de 4 e 5 pontos respectivamente.

E o que ocorreu na USP foi um aumento significativo da folha em termos brutos entre 2011 e 2012. O gráfico abaixo mostra o valor do repasse do ICMS (9,57% do total arrecadado, por Lei) para as universidades. Esse repasse tem aumentado ano a ano. O que ocorre é que o valor da folha aumenta a uma taxa (ou "derivada") ainda maior, particularmente no caso da USP entre 2011 e 2012. Novamente, as taxas são menores no caso de Unesp e Unicamp (ainda que um pouco acima das taxas de aumento dos repasses).

Fonte: dados do CRUESP (link)

Um leitor mais atento pode fazer o seguinte raciocínio: "Bom, é natural que o ICMS tenha um aumento por conta da inflação a cada ano. Mas pode ser que os repasses de ICMS tenham tido aumentos abaixo da inflação enquanto a folha foi reajustada pela inflação, de modo que o peso relativo da folha ficou maior por uma simples reposição da inflação nos salários."

Para verificar isso, fiz um ajuste nos dados considerando o IPCA de cada ano e a figura não muda muito. Tanto o repasse do ICMS quanto o aumento da folha ficaram significantemente acima do IPCA (caso alguém queira fazer a conta com outro índice, fico curioso para saber o resultado).

E ficam as perguntas: o que ocorreu na USP entre 2011 e 2012 para justificar tamanho aumento na folha? E mais: como algo assim pode ocorrer sem que a administração tenha tomado providências? Não tenho respostas concretas para essas perguntas (embora se especule bastante nos corredores). De todo modo, fica óbvio que houve uma séria falha de gestão na última administração, que tem recebido várias críticas (justas) por não ter alertado a comunidade da gravidade da situação.

Por outro lado, me parece igualmente óbvio que uma boa universidade se faz, acima de tudo, com bons salários e pessoal técnico qualificado. Queremos atrair excelência no nosso corpo docente e técnico-administrativo. Assim, a proposta de 0% de aumento não me parece uma medida inteligente, uma vez que não mexe no cerne da questão: essencialmente, um problema sério na gestão da USP. Além disso, faz com que nossos colegas da Unesp e da Unicamp tenham que pagar por erros da antiga administração da USP, o que me parece injusto.

BICEP2 e inflação cósmica: tá tudo dominado?

Na quarta-feira passada o prof. L. Raul Abramo deu um seminário sobre o experimento BICEP2 no "Convite à Fisica" do IFUSP.

Para quem não sabe, o BICEP2 é um experimento realizado na Antartida com detectores específicos para estudar a radiação cósmica de fundo em micro-ondas (ou "CMB", o popular "eco do Big Bang"). Resultados divulgados no final de Março apontam fortes evidências de uma assinatura de "marcas" de ondas gravitacionais impressas na CMB.

É um assunto fascinante e quente no momento. Se este resultado for confirmado, há fortes especulações de um prêmio Nobel, o que explica as manchetes mais exarcebadas. Para uma recapitulação do assunto (que, leigo que sou no tema, não farei aqui), vide um artigo da Nature, o texto do Marcelo Gleiser para a NPR, e blogposts de experts (mais avançados) aqui e aqui. Em português, recomendo os textos dos blogs Simetria de Gauge e Todas as Configurações Possíveis.

O seminário do prof. Raul foi bastante ilustrativo e chamou a atenção para alguns pontos importantes sobre a real relevância do experimento e da cautela que se deve ter antes de abrir o champagne para comemorar o prêmio Nobel.

Comecemos pela imagem que roda o mundo: o padrão de polarização medido pelo experimento.

"From BICEP2 collaboration/Nature (link)".

É uma imagem bastante ilustrativa. Vemos a "olho nú" um modo com um rotacional não-nulo, o chamado "modo B" de polarização que seria de ondas gravitacionais dos primórdios do Universo. No entanto, acho que o gráfico-chave da história toda é este aqui:

O gráfico mostra, a grosso modo, a intensidade na polarização do modo B de ondas gravitacionais versus o inverso da escala de comprimento das ondas  ("Multipolo"). As curvas vermelhas mostram previsões teóricas. A previsão para o sinal gerado por ondas gravitacionais é que ele domine em grandes escalas de comprimento ("Multipolo" pequeno), conforme indicado pelas linhas tracejadas.

Os símbolos correspondem a dados experimentais do BICEP e limites de detecção de outros experimentos "concorrentes". Como o eixo vertical está em escala logarítmica, vê-se, de cara, que o BICEP (pontos cinzas e pretos) conseque detectar sinais 100 vezes mais fracos que seus concorrentes (pontos coloridos), o que, em si, já é um feito notável.

O grande resultado é que os dados do BICEP2 (pontos pretos) mostram uma concordância muito boa com a teoria de ondas gravitacionais para grandes escalas (linha tracejada vermelha na parte inferior mais à esquerda).

Suficiente para estourar o espumante e esperar o Nobel? Well, not so fast. Como apontou o prof. Raul na sua fala (e também mencionado por Matt Strassler e Peter Coles em seus blogs) há algumas nuvens de chuva no horizonte.

Por exemplo, note que alguns os pontos pretos não seguem as curvas vermelhas para valores de multipolo em torno 200: eles desviam para cima, ficando acima mesmo da curva teórica que prevê para ondas gravitacionais geradas pelo efeito de lente gravitacional.

Retirado do blog de Matt Strassler  (link) .

Embora isso pareça um desvio "pequeno" no gráfico, é importante notar que:
i) A diferença para a curva vermelha está fora das barras de erro (embora os autores estejam confiantes de que sejam apenas artifatos estatísticos).
ii) A escala vertical é logaritmica, de modo que o desvio em valores absolutos não é tão pequeno assim.

Um outro ponto importante é que os dados do BICEP2 foram obtidos para apenas uma frequência de ondas gravitacionais (150Hz). A previsão é que o sinal seria robusto para uma gama grande de frequências.

EM RESUMO: O experimento determina o estado da arte em matéria de detecção de modos de polarização na radiação de fundo e os resultados são impressionantes. Muito possívelmente o sinal medido é, de fato, uma assinatura de ondas gravitacionais geradas nos primórdios do Universo. (vide update de 03/02/2015 abaixo)

Ocorre que há algumas características dos dados que ainda não estão bem explicadas. Além disso, por ter tomado dados em apenas uma frequência e em uma faixa restrita do céu, os dados atuais ainda são insuficientes para reinvindicar uma verificação experimental da teoria de inflação cósmica. É preciso aguardar um pouco mais (a publicação de resultados de outras frequências, por exemplo) para dar o veredito final.

Update (21/04):  texto da New Scientist, baseado em um artigo no arXiv, relata que  "loops de poeira" presentes no campo de observação do BICEP2 podem estar interferindo com a medida do modo-B de polarização.

A mensagem: até que os dados sejam confirmados (Planck? Keck?) e o sinal apareça em outras faixas de frequência, teorias sobre a origem do modo de polarização vão aflorar.

Update (14/05): Post recente do blog Résonaances (via Science Now) coloca em dúvida o método de subtração do sinal de fundo usado pela equipe do BICEP2. Esse sinal é radiação polarizada emitida por partículas de poeira galática (contribuição de "foreground") que deve ser subtraído para se obter a polarização no "background", supostamente advinda de ondas gravitacionais.

Aparentemente a equipe do BICEP2 usou dados "não oficiais" da colaboração Planck, retirados do pdf de um gráfico apresentado em uma conferência (!!) para estimar o sinal de "foreground" de emissão galática. No entanto, o gráfico teria outras contribuições, que tornariam os dados inadequados (para não falar do método pouco ortodoxo de "compartilhamento" de dados).

Houve o rumor que o pessoal do BICEP2 admitiu o erro, o que eles negam.

Novamente: especulações como essa vão aparecer e dar o que falar até que dados de outros experimentos (Planck, etc.) apareçam.

Update (03/02/2015): É oficial: BICEP2 não detectou ondas gravitacionais. Uma análise conjunta com os dados da colaboração Planck mostra que o sinal detectado pelo BICEP2 se deve, de fato, à poeira galática.

Essa vai para a história como mais um exemplo de que "descobertas extraordinárias requerem evidências muito, muito fortes". É o método científico em ação.

Entrevista ao jornal "O Politécnico"

Fiquei fora da blogosfera por algum tempo. Algumas mudanças nos útimos meses (muito boas, por sinal) prenderam minha atenção e energia. Aos poucos, vou retomando o ritmo.

Enquanto estive fora, o mundo andou e vários comentários que gostaria de ter feito aqui ficaram engavetados. Um exemplo: em novembro passado, saiu publicada a minha primeira (!) entrevista a um órgão de imprensa. No caso, foi uma entrevista dada a Breno Meirelles, do jornal "O Politécnico", publicação do Grêmio dos alunos da Poli.

Na entrevista, falo na condição de coordenador do curso de Física II para a Poli de 2011 a 2013. Várias mudanças no curso ocorrerão agora em 2014 (já sob nova coordenação) com a implementação da nova estrutura curricular.

Um arquivo pdf com a entrevista em pdf pode ser baixado aqui. Reproduzo a entrevista a seguir.

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Entrevista sobre Física 2 

por Breno Meirelles - Engenharia Naval, 1o ano.

É muito mais que óbvio que a Física é uma das ciências da qual a engenharia mais faz uso, e tamanha importância deve ser levada em conta na priorização da qualidade didático/metodológica do ensino dessa ciência em uma escola de engenharia. Na Escola Politécnica, pode-se dizer que no ensino da Física há um “núcleo comum” (Físicas I, II, III e IV), que é dado aos alunos de todas as grandes áreas (exceto Física III e IV, para engenharia elétrica), aborda vários temas e é dado pelo IF. A Física para engenharia, contudo, por muitas vezes causa confusão nos alunos, confusão que pode ser devida, por exemplo, a desacordos na grade curricular (conteúdos que deveriam ser complementares aos de Física são dados depois), a matérias sobre as quais não se conhece a aplicação ou a métodos sistemáticos de ensino que carecem de clarificações conceituais de por quê, para quê e como.

Para tentar desfazer algumas confusões sobre o ensino de Física para engenharia, o jornal O Politécnico fez uma série de perguntas ao professor Luís Gregório Dias, coordenador da disciplina Física II para Engenharia, que se dispôs a respondê-las.

O Politécnico: Por que relatividade restrita é dada em Física II, e não há Termodinâmica nos cursos de Física para Engenharia?

Prof. Luís Gregório: Desde a EC-2, os tópicos de Termodinâmica são vistos em cursos específicos das diferentes habilitações de engenharia, fora do “núcleo comum”. A questão da inclusão de Termodinâmica nos cursos de Física (posição defendida por vários de meus colegas no IF) foi discutida durante a elaboração da EC-3. A posição que prevaleceu foi a de manter Termodinâmica nos cursos específicos. Meu entendimento é que a justificativa seria que os diferentes tópicos seriam abordados de forma mais específica e adaptada às especificidades de cada curso.

O Politécnico: Existe alguma aplicação de relatividade restrita em Engenharia?

Prof. Luís Gregório: Há várias mas citaria as duas mais famosas:

1) O conceito de equivalência massa- energia (“E=mc^2”). Esse conceito é a base de toda a produção de energia em reações nucleares e, consequentemente, de várias aplicações em Engenharia Nuclear (por exemplo).
2) A correção na sincronização dos relógios atômicos nos satélites de GPS. Os relógios atômicos dos satélites de GPS tendem a atrasar em relação aos relógios da Terra. Isso é um efeito relativístico devido ao movimento dos satélites em relação a um observador no solo. Nesse caso, há necessidade inclusive de correção dos tempos por efeitos da massa da Terra no tempo medido nos satélites, assunto visto apenas em Relatividade Geral. Caso não sejam feitas essas correções nos relógios dos satélites pelos engenheiros responsáveis, os erros na determinação do posicionamento em terra podem ser da ordem de quilômetros.

Isso tudo está razoavelmente bem explicado neste link.

Mas, indo além desses exemplos, eu diria ainda que as aplicações mais interessantes de Relatividade em Engenharia são as que ainda estão por vir e que serão desenvolvidas pelos engenheiros (e Físicos) do século XXI. Na verdade, poderíamos fazer a pergunta da seguinte forma:

“Por que um estudante de Engenharia do séc. XXI precisa aprender Relatividade (ou Física Moderna)?”.

Isso seria equivalente a perguntar:

“Por que um estudante de Engenharia do séc. XIX precisa aprender Eletromagnetismo?”.

A resposta, no meu modo de ver, é: por que é Física muito bem estabelecida e deve fazer parte da formação dos engenheiros que vão liderar a inovação nesse século.

O Politécnico: Como é elaborada/ discutida a ementa dos cursos de Física para Engenharia?

Prof. Luís Gregório: A discussão de ementas é feita periodicamente. No caso da Poli, “grandes reformulações” são tipicamente feitas durante a discussão das Estruturas Curriculares, mas também há pequenos “ajustes” ao longo do tempo. É um processo que envolve vários aspectos tais como:

1) Discussão sobre o conteúdo de Física fundamental para a formação dos alunos da Poli (Física Moderna, por exemplo, é cada vez mais necessária).

2) Necessidades daquele conteúdo em cursos futuros (por exemplo: conceitos de oscilações e ondas são necessários em eletromagnetismo que, por sua vez, será usado em disciplinas específicas da Engenharia Elétrica).

3) Maturidade e conhecimentos prévios dos alunos. Isso envolve todo o ferramental matemático de Cálculo, por exemplo.

Esses pontos foram levados em consideração, por exemplo, nas discussões sobre as ementas e cursos da EC-3 entre a Física e a Poli. Em relação ao ponto 3): embora possa ocorrer algumas sobreposições/defasagens com o conteúdo de Cálculo é tomado o cuidado de que isso não comprometa o entendimento dos conceitos físicos.

Um exemplo: no início de Física I, apresentamos a velocidade instantânea como um limite e expressamos esse limite como “dx/dt”. Isso, em geral ocorre quando os alunos estão vendo limite mas pouco antes de verem a definição formal de derivada em Cálculo. No entanto, isso não compromete o entendimento do conceito físico de “velocidade instantânea”. Na verdade, acreditamos que os alunos da Poli têm maturidade suficiente para, por exemplo, ao ver como derivadas são usadas em Física, usar isso como estímulo para o aprendizado do mesmo conceito em Cálculo.

O feedback dos alunos é sempre parte importante desse processo. Um exemplo: por conta desse feedback, percebemos algumas sobreposições entre o conteúdo de Física II e o de Mecânica A, que estavam gerando um pouco de confusão para os alunos. Ajustamos o conteúdo de Física II para focar mais na parte de Oscilações, Ondas e Relatividade.

O Politécnico: Há quanto tempo a atual ementa está em vigor?

Prof. Luís Gregório: As ementas “básicas” estão em vigor há mais de 10 anos (desde a implantação da EC- 2) mas foram feitos alguns ajustes ao longo do tempo. Física II, por exemplo, incluía toda a parte de rotações. Aos poucos, notou-se que essa parte se encaixava melhor em Física I, o que permitiu a Física II ter mais tempo para focar em Oscilações, Ondas e Relatividade.

O Politécnico: O que virá de novo para Física para Engenharia com a EC-3?

Prof. Luís Gregório: Depois de uma grande discussão que envolveu tanto a Poli (inclusive com a representação dos alunos) como o IFUSP, as ementas dos cursos de Física I e II na EC-3 foram recentemente aprovadas pela congregação do IFUSP.

Pelo que foi aprovado, Física I será um curso teórico de 3 créditos que abordará as Leis e conceitos fundamentais da Mecânica (Leis de Newton, princípios de conservação, etc.) em um formato diferente do curso de Física I atual. O foco será nos conceitos fundamentais e em demonstrações experimentais em sala.

O curso de Física II terá dois créditos e abordará os temas de oscilações, ondas e som, temas importantes e que já são abordados no atual curso. A ideia atual é que o tópico de Relatividade seja visto em Física IV, juntamente com outros tópicos de Física Moderna.

O Politécnico: Como são escolhidos os professores que lecionam Física para Engenharia?

Prof. Luís Gregório: As equipes de Física são formadas durante a distribuição de carga didática no IF. A montagem da equipe é feita pelo coordenador do curso em conjunto com a Comissão de Graduação e depende de vários fatores como disponibilidade dos docentes que lecionaram o curso anteriormente e também dos docentes novos, dispostos a entrar na equipe. Tipicamente, procuramos misturar docentes com experiência no curso com docentes mais novos, que podem trazer boas idéias no desenvolvimento e na didática das aulas.

Um ponto que, como coordenador, dei bastante atenção nos últimos anos é a questão da monitoria. O estudo individual de cada aluno é imprescindível nos cursos e a monitoria pode contribuir bastante nesse aspecto. Hoje temos dois monitores PEEG que atendem de segunda a quinta no horário de almoço, além de proporcionarmos vários horários extras na semana de provas.

Ken Wilson, 1936-2013

Recebemos nessa semana a triste notícia da morte de Ken Wilson. Eu considero Wilson uma das grandes mentes da Física do século XX. Na contramão da tendência (cada vez maior) de especialização científica em sub-áreas, Wilson deu contribuições relevantes em áreas bastante diferentes da Física como Altas Energias e Matéria Condensada. Seu trabalho teórico na aplicação de técnicas de Grupo de Renormalização em fenômenos críticos  levou ao merecido prêmio Nobel de 1982 (ganhou sozinho).

Das contribuições de Wilson, destaco a invenção de métodos computacionais para resolver problemas teóricos difíceis. Na década de 70, quando os computadores ainda eram bastante incipientes, Wilson desenvolveu o método do Grupo de Renormalização Numérico (NRG, em inglês). O resultado foi importante pois, essencialmente, resolveu o chamado "problema de Kondo" em Matéria Condensada: as divegências logarítmicas que apareciam no trabalho pioneiro de Jun Kondo em 1964 no cálculo da contribuição para a resistividade de impurezas magnéticas em metais.

Na mesma época, Wilson trabalhou no desenvolvimento do método de QCD na rede, ainda hoje o único método não pertubativo em cromodinâmica quântica. Essa técnica ainda é bastante usada em problemas relevantes como o entendimento do plasma de quark-glúon (embora a aplicação de técnicas basedas na dualidade AdS/CFT tenha permitido avanços no regime de acoplamento forte desse problema).

Paul Ginsparg, fundador do arXiv e ex-aluno de Wilson disse que "Wilson estava à frente do seu tempo" em sua utilização de computação científica. Concordo plenamente. Wilson antecipou, por exemplo, o uso de ferramentas como protocolos para cálculos paralelos em redes, largamente utilizados hoje em dia. Como disse Peter Woit no blog Not Even Wrong, "Wilson may be no longer with us, but his ideas certainly are".

Diário de Viagem: BWSP e ENFMC.

O mês de maio foi bastante agitado em termos de viagens. Duas das mais importantes conferências em Matéria Condensada no Brasil foram realizadas uma após a outra, ambas no estado de São Paulo e com palestrantes de primeira linha.

A primeira  foi o Brazilian Workshop of Semiconductor Phyiscs, em Itirapina (região de São Carlos e Brotas). Destaque para os trabalhos em isolantes topológicos. Vieram pesquisadores internacionais de ponta nessa área como o "papa do efeito Hall de spin quântico" Laurens Molenkamp (de Würzburg, que, aliás, gosta muito de vir ao Brasil), além de Michael Furher (antes em Maryland, agora na Australia), Nitin Samarth (cujos grupos têm obtido resultados experimentais bastante relevantes em transporte em isolantes topológicos 3D) e Gennady Gusev, colega do IF-USP, um dos poucos físicos experimentais brasileiros trabalhando na área e que tem produzido excelentes trabalhos em isolantes topológicos 2D.

Eu dei um seminário sobre efeito Kondo em grafeno desordenado (colaboração com o Vladimir Miranda e o Caio Lewenkopf da UFF). Por sinal, esse trabalho foi motivado por um experimento do próprio Michael Furher, que mostra assinaturas típicas de efeito Kondo em grafeno irradiado. Nessa mesma linha, me chamou a atenção o seminário do Jaroslav Fabian (Regensburg), que discutiu contribuições para o tempo de relaxação de spin em grafeno.

***

Na semana seguinte, tivemos o tradicional Encontro Nacional de Física da Matéria Condensada, já na sua 36a edição. Como tem ocorrido nos últimos anos, foi realizado em Águas de Lindoia, uma agradável cidade  localizada em uma ramificação da Serra da Mantiqueira, proxima à divisa entre São Paulo e Minas Gerais.

Foram várias palestras excelentes. Na área de supercondutividade, me chamou a atenção o seminário do Rafael Fernandes, jovem professor brasileiro na Universidade de Minnesota. Ele falou sobre seu trabalhos recentes em supercondutores à base de ferro, um assunto que meu antigo grupo tem pesquisado bastante. Também gostei do seminário do Stefan Blügel (Julich), com quem tive várias conversas em torno de como conciliar Teoria do Funcional Densidade (DFT) e Efeito Kondo (será possível??).

Vale destacar ainda as presenças de Dan Shechtman, ganhador do prêmio Nobel de Química em 2011 pelo seu trabalho em quasi-cristais (uma história bonita de persistência mesmo enfrentando fortes críticas) e, novamente, de Laurens Molenkamp (que participou das duas conferências e ficou quase duas semanas no Brasil).

Os lugares:
A grande atração da BWSP ficou por conta do rafting em Brotas/SP. Imagine 60 físicos em botes descendo corredeiras. Esse é o resultado:

Já Águas de Lindóia é bastante agradável e tive a oportunidade de passear pelo centro. Recomendo o parque no centro da cidade, ótimo para corridas (ou caminhadas) matinais. Uma visita ao Cruzeiro ou uma esticada até cidades próximas como Monte Sião também valem a pena, segundo me disseram.

A Boy And His Atom

O vídeo abaixo é uma impressionante mistura de ciência e arte. Foi produzido pelo grupo do Andreas Heinrich (IBM Almaden) um dos maiores especialistas em microscopia de tunelamento eletrônica do mundo.

O microscópio de tunelamento eletrônico (STM) é uma ferramenta bastante versátil, que consegue obter imagens resolução atômica de objetos nanoscópicos (como moléculas ou mesmo átomos individuais adsorvidos em superfícies) através de uma engenhosa utilização do efeito tunel, uma dos fenômenos previstos pela Mecânica Quântica.

Mas o STM serve não apenas para fazer imagens de estruturas nanoscópicas: é possível movimentar os átomos na superfície, formando figuras geometricas, ou mesmo construindo nanoestruturas, como mostra esse outro vídeo do grupo de Saw Hla na Ohio University (com quem tive a oportunidade de colaborar).

O grupo da IBM foi um passo além: eles fizeram um filme inteiro, imagem a imagem, movimentando moléculas de monóxido de carbono com a ponta do STM em uma superfície metálica. Abaixo, o "Making Of" do filme, ao melhor estilo Hollywood.

Mais é Diferente

Na semana passada, participei de um simpósio no Curso de Verão  do IF-USP junto com o prof. Renato Jardim. O tema era o conceito de "Mais é Diferente" em Física (em particular, em Física do Estado Sólido).

Phil Anderson

"More is Different" é o título de um influente artigo publicado por Phil Anderson na revista Science em 1972 (Anderson viria a ganhar o prêmio Nobel em 1977). Essencialmente, é uma crítica ao conceito de reducionismo em Física, a idéia de que, sabendo-se como funcionam partes elementares da matéria, pode-se inferir "com um pouco de imaginação" o comportamento coletivo de sistemas de muitas partículas.

A tese do reducionismo é bem ilustrada pelo comentário de Carl Anderson que, após descobrir o pósitron em 1932, afirmou que "o resto é química". A premissa é que se você conhece extremamente bem quais as propriedades de todas as partículas elementares (quarks, elétrons, pósitrons, etc.), a extrapolação para entender o comportamento de núcleos, átomos, moléculas, células, planetas e galáxias é uma simples questão computacional.

Phil Anderson argumenta que essa tese é equivocada em um nível fundamental. Diz, no texto da Science, que "o comportamento de grandes e complexos agregados de partículas elementares não pode ser entendido em termos de uma simples extrapolação das propriedades de algumas poucas partículas." Por conta disso, "a cada nível de complexidade, propriedades completamente novas aparecem e o entendimento desses novos comportamentos requer pesquisa que considero de natureza tão fundamental quanto qualquer outra." Em outras palavras, quando temos sistemas de muitas partículas, a complexidade da interação entre elas leva a comportamentos novos (e leis novas) que não podem ser preditas com base apenas no comportamento de uma partícula e do conhecimento das interações fundamentais.

Uma analogia é a seguinte: imagine que você saiba tudo (mas tudo mesmo!) sobre células (todas as reações químicas, funções, como uma célula interage com outras, etc.). Esse conhecimento não pode ser extrapolado para prever, por exemplo, comportamentos sociais (relações humanas, eventos históricos, ocupação geográfica do espaço, etc.) embora, fundamentalmente, pessoas sejam feitas de células.

Por quê? Porque à medida que células interagem, formando tecidos, cérebros e pessoas; e pessoas interagem formado comunidades e sociedades, novas "leis fundamentais" emergem. E são essas leis (e não as reações químicas nas células) que, em última instância, determinam os comportamento coletivo. Isso é o que chamamos em Física de fenômenos emergentes. Outro exemplo mais atual de fenômenos emergentes são as "redes sociais": mesmo que você saiba tudo sobre células e transistores e fibras ópticas, você não conseguiria prever o sucesso do Facebook ou o declínio do Orkut no Brasil.

Em suma, o que Anderson quer dizer é que Química não é apenas Física aplicada, como Biologia não é Química aplicada como Psicologia ou Antropologia não são, simplesmente, Biologia aplicada. E que as Leis que regem os fenômenos em cada um desses níveis de complexidade são igualmente fundamentais.