IFUSP na Mídia

Aprovada no IFUSP a criação da Central Multiusuário de Criogenia

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A Criogenia no DFMT

Em baixas temperaturas excitações térmicas são suprimidas, e a matéria tende a ocupar o estado de mínima energia. A resposta de um material tão frio a estímulos externos revela seu espectro de excitações elementares, que determina os processos que operam no seu interior. Um exemplo é a supercondutividade – a condução de corrente sem nenhuma dissipação de calor. Os supercondutores podem ser explorados para submeter a matéria a campos magnéticos extraordináriamente grandes, para gerar a descoberta de fenômenos surpreendentes, tal como o Efeito Hall Quântico.

Para produzir baixas temperaturas, é necessário um refrigerante. O hélio é um refrigerante ideal, pois é químicamente inerte, tem temperatura de ebulição baixa, e é o único elemento que permanece líquido quando a temperatura se aproxima do zero absoluto, em pressão atmosférica. Porém, o hélio é caro. Apesar de ser um dos elementos mais abundantes no Universo, perdendo apenas para o hidrogênio, na Terra as reservas de hélio diminuem com o passar do tempo. Devido à sua baixa densidade, o gás hélio sobe na atmosfera e escapa para o espaço cósmico. Por outro lado, a demanda mundial de hélio líquido cresce continuamente, fazendo aumentar o seu preço ainda mais. 

Consciente do extraordinário potencial da pesquisa em baixas temperaturas, em 1961 Mário Schenberg criou a primeira planta de liquefação de hélio no Brasil, a denominada Oficina de Criogenia, abrigada no Departamento de Física dos Materiais e Mecânica (DFMT)^{1, 2}. Este patrimônio precisa ser preservado e modernizado. A Oficina de Criogenia liquefaz hélio para os laboratórios de pesquisa do DFMT, de outros Departamentos do Instituto de Física, e de outras Instituições. O gás hélio gerado nos laboratórios é devolvido para a Criogenia, onde é liquefeito novamente. Neste ciclo uma fração de hélio se perde. Para tornar o uso do hélio viável, é imprescindível minimizar a fração perdida. Cabe à Criogenia implementar procedimentos para reduzir as perdas de reciclagem.

Para otimizar os processos relacionados ao setor, a equipe da criogenia tem implementado mudanças. Uma importante novidade, tanto do ponto de vista conceitual quanto do ponto de vista operacional, está no cadastramento da criogenia no USP-multi, a plataforma de instalações multiusuário da USP. As normas internas do setor, bem como a equipe gestora e o comitê de usuários foram aprovados pela Congregação do IFUSP em sua reunião do mês de Novembro de 2024. O CTA do IFUSP também aprovou um convênio com a empresa White Martins, que  deve trazer sustentabilidade para o setor. No médio prazo, os ajustes no setor deverão alavancar as pesquisas criogênicas na USP e diminuir a perda de insumos no processo de reciclagem.

Vivendo um momento auspicioso em sua área de pesquisa, o pesquisador compartilha sua jornada até a docência e revela que a possibilidade de atuação em sala de aula foi um diferencial da USP em relação a outras oportunidades.

Completando um ano como docente no Departamento de Física Geral, o pesquisador Lucas Cornetta recorda seus tempos de graduação no IFUSP: “Eu demorei um pouco pra me engajar no trabalho de pesquisa aqui, na época que eu era aluno de graduação”. Como muitos estudantes, Lucas trabalhou durante parte do curso e nem sempre pôde se dedicar à física tanto quanto gostaria. Foi apenas ao final do terceiro ano que obteve uma estrutura que lhe permitiu maior dedicação aos estudos e presença na universidade, quando seu compromisso e empenho mudaram de nível. Mesmo assim, àquela altura, não conseguiu se vincular a um projeto de iniciação científica. “Oficialmente, eu não tive uma bolsa de iniciação científica, mas logo que eu estava no começo do último ano eu conheci o Márcio, e ele foi uma pessoa muito importante em vários aspectos - de estar aberto, de gostar muito do que estava fazendo e de passar aquele entusiasmo pela pesquisa. Aos poucos, eu fui considerando a área da física molecular e fui aprendendo”. Atual colega de departamento, o pesquisador Márcio Varella foi seu orientador no mestrado e também no doutorado, que Lucas realizou em modalidade sanduíche na Stanford University, com coorientação de Todd J. Martinez, do Departamento de Química Teórica.

A conclusão do doutoramento trouxe algumas provações, como a incerteza sobre que caminho seguir. Entre a defesa da tese e a confirmação da bolsa de pós-doc, foram dez meses em suspenso, também agravados pela tensão da pandemia de COVID-19. “Em 2020 eu conheci esse grupo da Unicamp, que estava com um grande projeto temático FAPESP vigente. É um grupo majoritariamente experimental, que não tinha muito a ver com o que eu fazia na pós-graduação. Era uma outra coisa, uma outra área - a de espectroscopia molecular na faixa de Raios-X, que é o que eu faço hoje”. Se o contexto foi determinante para a troca de área, a permanência e a dedicação foram inteiramente deliberados: o pesquisador considera a mudança uma das melhores coisas de sua carreira. Como há curvas de aprendizado, ele descreve o que seria uma “curva de afeição” à nova atividade, e revela que se apaixonou definitivamente pela área. Com satisfação e envolvimento renovados, veio o trabalho e o acelerado desenvolvimento: “Eu acabei me descobrindo com uma habilidade, uma visão que talvez fosse diferente da que eu tinha antes. E rapidamente consegui contribuir de um jeito que me realizava como pesquisador”. Ainda sobre o processo de mudança, Cornetta reflete: “Percebi que acabei me envolvendo com uma linha de pesquisa que havia um espaço para desenvolver aqui no IFUSP. E isso foi muito atrativo, porque eu sempre tive planos de tentar uma posição permanente aqui. Sob essa perspectiva, estar envolvido com uma área de estudo que eu sabia que tinha pouca gente fazendo, que era uma pesquisa de ponta para a qual havia uma demanda, além do fato de que eu traria pra cá várias novas redes de colaborações, foi bastante motivador. E tudo isso foi crescendo.” No começo de 2022, Lucas foi para a Suécia como pós-doutorando e teve seu período mais produtivo até então. E o timing foi ideal: foi enquanto capitalizava o bom trabalho e o bom momento do campo de pesquisa que recebeu a notícia da abertura do concurso.“O projeto é algo que me representa e que faz sentido pro Instituto, e eu acho que casou de um jeito providencial” - conclui.

O pesquisador contextualiza o ótimo momento vivido em sua área de pesquisa: “Há quem diga que o advento de certas instalações e tecnologias ao longo da última década, como os síncrotrons de quarta geração (como o Sirius) e outros tipos de máquinas como os Free Electron Lasers [...] Essas máquinas são fontes de luz em diversas faixas de frequências, incluindo, particularmente, linhas dedicadas a raios-X. Só que elas chegaram com intensidade e poder de resolução tão altos, que vários projetos que, no passado, ficaram inviabilizados por falta de tecnologia experimental, hoje podem ser revisitados por conta desse advento. E é por isso que há quem diga, como provocação, que a comunidade passa por um período de renascença da espectroscopia de raios-X”.

Como teórico em modelagem molecular, sua atuação se dá em duas grandes frentes: a primeira é uma frente teórico-experimental, em que realiza cálculos de mecânica quântica e provê suporte teórico para explicar espectros medidos em experimentos. Nesse âmbito, atua em colaboração próxima com uma série de grupos experimentais - como o DFA do IFGW/Unicamp; a Division of X-Ray and Photon Sciences da Universidade de Uppsala, Suécia, atualmente liderada pelo pesquisador Olle Björneholm; o grupo do Prof. Raimund Feifel, na Universidade de Gotemburgo, também na Suécia, entre outros. A segunda frente é o desenvolvimento de metodologias, em que o pesquisador não se refere a dados experimentais, mas a técnicas em que haja espaço para contribuições do ponto de vista de desenvolvimento teórico e implementações computacionais.

Uma terceira frente de trabalho que o interessa é o desenvolvimento de ferramentas didáticas. Atualmente oferecendo a disciplina de Eletromagnetismo na graduação, o pesquisador coordena um projeto PUB que visa desenvolver animações para uso didático. O conjunto de códigos e materiais gerados neste projeto será integralmente disponibilizado a todos os interessados. Essa frente de atuação vem revelar e encaminhar um interesse antigo do pesquisador: “Dar aula é uma coisa que sempre me motivou. Eu sempre gostei muito [...] Essa ideia de que eu ia ser um pesquisador e também dar aula fazia as posições aqui na USP muito mais atrativas do que em outros lugares onde eu não teria a oportunidade de lecionar”.

Animado e acessível, com metas bem estabelecidas para curto e médio prazo, o docente afirma que há muito trabalho a ser feito na área e faz um chamado a estudantes interessados de todos os níveis - iniciação, mestrado, doutorado: apresentem-se. Há diversas oportunidades e a área é prolífica e promissora para quem está começando uma trajetória em pesquisa. O professor compartilha também um conselho, a partir de sua própria experiência: encoraja os alunos a se manterem abertos às oportunidades e a experimentarem áreas nunca antes consideradas, pois há um universo de tópicos estimulantes e produtivos em busca de pessoas. “Eu me permiti olhar para outras áreas; olhar para biofísica, para física experimental, para física de materiais… tem muita coisa legal sendo feita em tanto lugar! Foi um processo de autoconvencimento [...]: E no fim foi uma coisa muito positiva. Talvez, se eu não tivesse me forçado, não teria me apaixonado pelas áreas que me apaixonei. Muitos alunos persistem numa idealização de algo que, às vezes, nem existe, e impede que se olhem para outras coisas. Isso é prejudicial, e acho que a ciência só tem a perder”.

-> Para saber mais sobre o trabalho do professor e oportunidades disponíveis, escreva para cornetta@if.usp.br

Prof. Fernando Garcia comenta a publicação de dois artigos liderados pelo Grupo de Espectroscopia de Materiais Quânticos do IFUSP que contaram com a colaboração entre grupos da UNICAMP, UFMG e da Universidade de Friburgo na Suíça. São parte do trabalho de doutorado de Marli Cantarino, premiado pelo programa de pós-graduação do IFUSP (melhor artigo e menção honrosa para melhor tese). 

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Supercondutividade de alta temperatura crítica (HTSC) é tradicionalmente associada ao estudo dos óxidos cupratos. Recentemente, o campo foi significativamente expandido com a descoberta dos chamados supercondutores a base de ferro (FeSCs). Assim como no caso dos materiais óxidos, HTSC surge nos materiais FeSCs através de estratégias de dopagem (por elétrons ou por buracos), que promovem uma sintonia da estrutura eletrônica e propriedades magnéticas dos materiais. Outro ponto coincidente é que HTSC nos FeSCs também surge em proximidade a uma fase magnética.

Diferente do óxidos cupratos, no entanto, os FeSCs são sempre metálicos, o que motivou um consenso neste campo de pesquisa segundo o qual a sintonia do preenchimento eletrônico, por efeito de dopagem, é um parâmetro fundamental para entender a evolução do magnetismo nos FeSCs e, consequentemente, da fase HTSC.

Em dois estudos recentes, utilizamos espectroscopia de fotoemissão resolvida em ângulo (ARPES) e cálculos combinando teoria do funcional da densidade com teoria do campo médio dinâmico (DFT+DMFT) para investigar efeitos de dopagem no material BaFe2As2, quando Fe é parcialmente substituído por Cr (CrBFA) ou Mn (MnBFA). Nominalmente, estas substituições causam dopagem por buracos mas HTSC não é observada em CrBFA ou MnBFA. Curiosamente, dopagem por buracos é a estratégia que leva à maior temperatura para o aparecimento da HTSC, como no caso da substituição parcial de Ba por K.

Nossos resultados mostram que, contrário ao consenso estabelecido, a evolução do magnetismo em CrBFA e MnBFA não tem relação direta com o preenchimento eletrônico. Mostramos ainda que Cr é um dopante efetivo de buracos em CrBFA estabelecendo que a sintonia eletrônica apenas não é capaz de criar as condições suficientes para o surgimento de HTSC. Argumentamos que em CrBFA e MnBFA, o magnetismo introduzido pelos dopantes (seja Cr ou Mn) interage com o magnetismo do Fe excluindo a possibilidade de formação de HTSC.

Estes trabalhos foram liderados pelo grupo de espectroscopia de materiais quânticos no IFUSP e contaram com a colaboração entre grupos da UNICAMP, UFMG e da Universidade de Friburgo na Suíça. São parte do trabalho de doutorado de Marli Cantarino, hoje pesquisadora no ESRF, premiado pelo programa de pós-graduação do IFUSP (melhor artigo e menção honrosa para melhor tese).  O trabalho no IFUSP foi financiado pela FAPESP.

Referências:

Marli R. Cantarino, Kevin R. Pakuszewski, Björn Salzmann, Pedro H. A. Moya, Wagner R. da Silva Neto, Gabriel S. Freitas, Pascoal G. Pagliuso, Cris Adriano, Walber H. Brito, Fernando A. Garcia.

Hole doping and electronic correlations in Cr substituted BaFe₂As₂ | SciPost Phys. 17, 141 (2024). DOI: 10.21468/SciPostPhys.17.5.141

Marli R. Cantarino, Kevin R. Pakuszewski, Björn Salzmann, Pedro H. A. Moya, Wagner R. da Silva Neto, Gabriel S. Freitas, P. G. Pagliuso, Walber H. Brito, Claude Monney, C. Adriano, Fernando A. Garcia.

Incoherent electronic band states in Mn-substituted BaFe₂As₂ | Phys. Rev. B 108, 245124 (2023). DOI: 10.1103/PhysRevB.108.245124

Foto da equipe "The Wronskians". Divulgação

“The Wronskians” é o time que vai representar a USP no Brazilian Physicists’ Tournament (BPT)

Participante desde a primeira edição do torneio em 2018, o time USP do Brazilian Physicists’ Tournament ganha novo nome, novos líderes e uma disciplina totalmente dedicada ao evento.

Doze problemas de física em aberto. Ao menos seis equipes prontas. O campo está montado para o Brazilian Physicists’ Tournament (BPT) deste ano, que ocorrerá na UFMG, em Belo Horizonte, de 9 a 12 de dezembro. O BPT é a seletiva nacional do International Physicists’ Tournament (IPT), torneio entre equipes universitárias que debatem soluções de problemas abertos em física. As equipes são formadas por estudantes de graduação ou mestrado e conta com líderes (que atuam como técnicos) que podem ser doutorandos, pós-doutorandos e docentes. 

De acordo com Bruno Siqueira Eduardo, membro veterano do time USP, parte do encanto do torneio é desvelar as camadas de complexidade que vão emergindo a despeito da aparente simplicidade dos problemas e fenômenos do cotidiano. Normalmente, é possível atacar as questões usando física em nível de graduação, no entanto, o processo de estudo para o torneio é bastante diferente da maioria das aulas do curso: ao contrário das listas de exercícios, extremamente orientadas para o uso de teorias ou técnicas específicas, os problemas são apresentados de modo totalmente aberto, sendo possível abordá-los das mais diversas maneiras, usando todo o repertório e criatividade da equipe.

As edições anteriores estão repletas de exemplos intrigantes. A explicação de um teste de qualidade realizado em destilarias de cachaça: primeiro, bate-se uma haste metálica na garrafa inerte e novamente depois de agitá-la. Como é possível deduzir o status da bebida a partir da mudança do som produzido? Outro exemplo interessante: ouvindo-se um trovão, o que é possível apreender sobre o formato do relâmpago de origem? Alguns problemas têm, inclusive, aplicações de grande importância. “Sabe quando você vai colocar sal na comida e o saleiro entope? Aí você tem que mexer um pouquinho no saleiro e volta a colocar. Então, isso é um problema importantíssimo em física estatística, que acontece nessa escala e também acontece em refinarias de petróleo, quando tem que ter uma bitola do tamanho certo para não travar o fluxo. A física é meio que a mesma. Aí faltava investigar isso” - comenta o estudante.

A dinâmica do torneio se dá por meio das “Batalhas de Física”, em que cada time pode atuar como apresentador, opositor ou mediador. Enquanto se alternam e competem, as equipes vão aprimorando as soluções apresentadas. Além disso, uma vez finalizada a etapa brasileira - com a definição do time campeão e que vai representar o país na fase internacional - o ecossistema atua de forma colaborativa: o vencedor pode acionar e contar com o apoio dos trabalhos das outras equipes. Nesse momento, todos se tornam time “Brasil”.

Presente desde a primeira edição do evento, a USP ainda não venceu a etapa nacional, mas 2024 traz bons ventos para a equipe: é o ano em que, finalmente, a preparação para o BPT se formaliza como disciplina de graduação. E, de acordo com os estudantes, isso pode fazer uma boa diferença. “A USP, junto com a UFABC, é a universidade que participa do BPT há mais tempo, desde 2018. O que acontece é que as outras universidades que foram entrando ao longo dos anos, a UNICAMP, a UFMG, etc., elas têm disciplinas formalizadas totalmente. Então, tem turmas - trinta, quarenta alunos - trabalhando naquela lista de problemas, tem notas, tem vários professores.[...] E a gente, até então, era sempre na força da amizade, mas sempre correndo atrás de professor.[...] Nas últimas duas semanas, a gente falava ‘a gente precisa participar, precisa ensaiar alguma coisa’. Aí passava madrugada na casa de um e na casa de outro. Eu lembro que na pandemia, a entrada de baixo estava fechada, mas o pessoal dos laboratórios topou ajudar a gente, aí eles iam lá, deixavam os experimentos, os materiais na bancada, e a gente vinha de final de semana, mesmo com tudo fechado, e ficava fazendo os experimentos lá” - recorda o estudante Bruno.

A equipe lembra com carinho dos pesquisadores que os apoiaram nas últimas edições, como os docentes Antônio Domingues e Edivaldo Moura, além de outros pós-docs que atuaram como líderes do time. No entanto, a perspectiva de uma estrutura curricular que os ajude a atrair cérebros, organizar os estudos e reforçar a equipe é muito bem-vinda. Novo logo do time, a fênix vem traduzir esse momento de renascimento e fortalecimento da equipe. A ementa da disciplina “Aprendendo física enfrentando problemas em aberto”, coordenada e oferecida pelo professor Eric C. Andrade, contou com colaboração dos membros do time para ser definida. Assim, o docente assume o posto de novo líder da equipe, junto ao doutorando Gustavo Alves, que, ano passado, conseguiu tirar um tempo de seu intercâmbio no Fermilab para uma reunião virtual de apoio na semana anterior ao torneio. De volta ao país, ele reassume o compromisso com a equipe, animado, e mirando a primeira vitória da USP no BPT.

Além de torcer pela equipe, estudantes de todos os cursos de graduação da Universidade podem participar! Para saber mais sobre o torneio ou como fazer parte do time, entre em contato pelo perfil no Instagram: @ipt.usp

The Wronskians Team:

Líder e coordenador da disciplina: 

• Prof. Eric. C. Andrade

Membros representantes da equipe no BPT em Belo Horizonte:

• Gustavo Figueiredo Severiano Alves (Líder)
• Artur Libanio de Araujo Yordaky (Capitão)
• Guilherme Aciron Loureiro Lancaster de Torres
• Ted Martins Paulo da Silva
• Maria Fernanda Dressano Barbaro
• Felipe Gasaniga Monteiro
• Lívia Tiemi Bidoia de Freitas

Demais membros que participam da resolução de problemas:

• Nathalia Seino
• Gabriela Vieira Kuhn Scavone
• Mateus Teixeira e Souza
• Bruno Siqueira Eduardo
• Édy Soares da Silva de Oliveira
• Alfredo José de Castilhos Pauli Barbosa
• Álex Felipe Caçula Leal
• Valkíria Luna Anjos dos Santos
• Inácio Captuleio de Souza Pinto
• Lucca Mazella
• Jean Matias Ferreira