Estaneno: primeiro supercondutor a temperatura ambiente? (first superconductor at room temperature?)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2013

A adição de átomos de flúor (amarelo) a uma camada atômica de estanho - o estaneno - poderá resultar no primeiro supercondutor a temperatura ambiente. [Imagem: Yong Xu/Tsinghua University/Greg Stewart/SLAC]

Estaneno

Em tempos de materiais-maravilha à base de carbono, parecia que nada poderia superar os nanotubos - até surgir o grafeno. Mas agora cientistas estão pedindo que o grafeno dê um passinho à frente, cedendo espaço para o recém-chegado "estaneno".

         Estaneno é uma folha unidimensional - formada por apenas uma camada de átomos - do metal estanho, símbolo químico Sn. O estaneno promete ser nada menos do que o primeiro supercondutor à temperatura ambiente, transportando eletricidade com 100% de eficiência.

         É o que garantem Yong Xu e seus colegas das universidades Tsinghua (China) e Stanford (EUA):

“O estaneno poderá aumentar a velocidade e diminuir o gasto de energia das futuras gerações de chips de computador, caso nossas previsões sejam confirmadas por experimentos que estão em andamento em vários laboratórios ao redor do mundo,” disse o professor Shou-cheng Zhang, coordenador do estudo.

Isolantes topológicos

Os resultados são fruto do trabalho com os isolantes topológicos, uma classe de materiais muito promissores devido à sua característica de conduzir eletricidade apenas na sua superfície externa, mas não em seu interior.

Em 2011, outra equipe já havia apontado que um isolante topológico mais complexo poderia ser magnético e supercondutor.

         Isso porque, ao se destacar a camada externa desses materiais, eles devem conduzir eletricidade com 100% de eficiência, ou seja, são supercondutores.

“A magia dos isoladores topológicos é que, pela sua própria natureza, eles forçam os elétrons a mover-se em faixas definidas, sem qualquer limite de velocidade, como nas autobans alemãs,” explicou Zhang. “Enquanto eles estiverem na via rápida - as bordas ou as superfícies - os elétrons vão viajar sem resistência.”

Mas nenhum dos isolantes topológicos conhecidos até agora se tornaria um condutor perfeito de eletricidade à temperatura ambiente.

         O que os novos cálculos indicam é que isto pode ser possível com uma única camada de átomos de estanho - um estaneno.

Supercondutores no interior de chips resultarão em processadores que consomem menos energia e esquentam menos. [Imagem: Yong Xu et al./PRL]

Chips supercondutores

Os cálculos indicam que uma única camada de estanho seria um isolante topológico não apenas sob temperaturas agradáveis para o ser humano, mas também a temperatura mais altas.

         Por exemplo, com a adição de átomos de flúor ao estanho, sua gama de funcionamento se estenderia a pelo menos 100 graus Celsius.

         Segundo os pesquisadores, se os experimentos confirmarem seus cálculos teóricos, o estaneno deverá estrear na conexão interna dos chips, permitindo a troca de dados mais rápida e gastando muito menos energia - o que se traduziria em processadores que esquentam menos.

         É claro que, para isso, terão que ser vencidas as mesmas dificuldades de fabricação de um material 2D com que atualmente se deparam os pesquisadores que tentam trabalhar com o grafeno.

Bibliografia:

Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films

Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang

Physical Review Letters

Vol.: 111, 136804

DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

http://arxiv.org/abs/1306.3008

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=estaneno&id=010165131125

Reator de fusão nuclear começará a ser montado (nuclear fusion reactor will begin to be assembled)

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-comecara-montado&id=010115130826&ebol=sim

Com informações da BBC - 26/08/2013

Reator de fusão nuclear começará a ser montado

Aqui serão montados os ímãs em forma de anel, capazes de conter a energia sem que o plasma toque nas paredes metálicas do reator. [Imagem: ITER]

Fusão nuclear

O maior projeto para o desenvolvimento de uma fonte de energia por meio da fusão nuclear começará a ser montado para valer. Terminadas as estruturas civis básicas, começaram a chegar os primeiros dos cerca de um milhão de componentes necessários para a construção do reator experimental.

       Há vários projetos tentando dominar a energia das estrelas, mas o ITER (Reator Internacional TermonuclearExperimental) é o maior deles. Após os problemas iniciais de projeto e dificuldades em coordenar um projeto internacional sem similares, agora há menos desconfiança quanto ao cumprimento do cronograma, que está dois anos atrasado.

       Desde os anos 1950, a fusão nuclear oferece o sonho da energia praticamente inesgotável. O objetivo é recriar o processo que gera a energia do Sol, usando como combustível duas formas de hidrogênio, os isótopos deutério e trício, ou trítio.

Magnetos do campo poloidal do ITER. [Imagem: ITER]

Tokamak

O interesse no desenvolvimento desse tipo de processo se explica pelo uso de um combustível barato (os isótopos), pelo pouco resíduo radioativo que produz e pela não emissão de gases do efeito estufa. Mas os desafios técnicos, tanto de lidar com um processo tão extremo quanto de projetar formas de extrair energia dele, sempre foram imensos.

De tão difícil de ser recriada artificialmente, críticos da ideia afirmam que a fusão nuclear "estará sempre 30 anos no futuro".

       O reator do ITER pretende colocar isso à prova. De um tipo conhecido como "tokamak", o reator é baseado no JET, um projeto-piloto europeu, e prevê a criação de um plasma superaquecido, com temperaturas de até 200 milhões de graus Celsius, calor suficiente para forçar os átomos de deutério e trítio a se fundir e liberar energia. O processo deverá ocorrer dentro de um enorme campo magnético em formato de anel - a única forma como um calor tão extremo ser contido.

       O JET conseguiu realizar reações de fusão em pulsos muito curtos, mas o processo exigiu mais energia do que foi capaz de produzir. No ITER, o reator está em uma escala muito maior e foi projetado para gerar dez vezes mais energia (500 MW) do que consumirá.

Cerca de 420 toneladas de fios supercondutores de nióbio-titânio já foram fabricados - mais de 90% do total necessário. [Imagem: ITER]

Reatores do futuro

O orçamento total do projeto é incerto e tem variado, para cima, ao longo dos anos - hoje as estimavas estão em €15 bilhões (cerca de R$ 45 bilhões). Ainda que haja um cronograma bem definido para a entrega das peças mais importantes - algumas chegam a pesar 600 toneladas - a divisão de sua fabricação entre os países membros provavelmente será motivo de novos atrasos.

       Os planos atuais preveem os primeiros testes da fusão nuclear em 2020. Partindo do pressuposto de que o ITER consiga realizar uma fusão que gere mais energia do que consome, o passo seguinte será a construção de um projeto de demonstração da nova tecnologia - o nome do ITER é "reator experimental".

       Depois que o protótipo funcionar, então poderão ser feitas as especificações para a construção dos primeiros reatores de fusão nuclear comerciais - ou seja, a crítica dos críticos, de que a fusão nuclear está sempre 30 anos no futuro, parece bastante otimista. A não ser que outros projetos em andamento tenham melhor sorte.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-comecara-montado&id=010115130826&ebol=sim

A sorte está lançada: Reator de fusão nuclear é selado

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-selado&id=010115130830&ebol=sim

Redação do Site Inovação Tecnológica - 30/08/2013

Vista geral da construção do reator de fusão tipo estelarator, antes de seu fechamento final. [Imagem: IPP]

Esteralator

Enquanto o reator de fusão nuclear do ITER recebe o sinal verde para o início de sua montagem, o Wendelstein 7-X, na Alemanha, dá um passo ainda mais significativo.

Acabam de ser colocadas as últimas coberturas do complicado reator de fusão, selando definitivamente o invólucro onde os cientistas tentarão recriar o processo de geração de energia das estrelas.

Ao contrário do reator do ITER, que é do tipo tokamak, o reator do Wendelstein 7-X é do estelarator (stellarator).

Um tokamak é alimentado por uma corrente de plasma. Essa corrente fornece uma parte do campo magnético responsável por isolar o próprio plasma das paredes do reator - o grande desafio é evitar as instabilidades do plasma circulante pelo torus.

Um reator do tipo estelarator não tem corrente, eliminando de pronto o problema das instabilidades do plasma.

Mas o projeto tem seus próprios desafios, o que justificou a construção do Wendelstein 7-X, que, da mesma forma que o ITER, será um reator de pesquisas, para demonstrar a viabilidade do conceito.

Se tudo correr bem, ele entrará em funcionamento em 2014.

O anel retorcido do Wendelstein 7-X é formado por cinco módulos estruturalmente idênticos. [Imagem: IPP]

Janelas fechadas

O anel retorcido do Wendelstein7-X é formado por cinco módulos estruturalmente idênticos.

Cada uma das cinco seções do canal de plasma, assim como as 14 bobinas magnéticas supercondutoras, foram conectadas e revestidas por um invólucro externo de aço pesando 120 toneladas.

Cada um dos cinco módulos tem diversas "janelas", onde são conectados instrumentos de medição, bombas e mecanismos de resfriamento.

Com a soldagem da janela número 254, agora o reator de fusão, assim como a sorte do que ocorrerá lá dentro, estão totalmente selados.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=reator-fusao-nuclear-selado&id=010115130830&ebol=sim

Teletransporte fica prático para computação quântica (quantum teleportation)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/08/2013

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit. [Imagem: University of Tokyo]

Energizar

Não, ainda não é nada parecido com o teletransporte de Jornada nas Estrelas, mesmo porque cálculos indicam que o tempo para teletransportar um ser humano seria longo demais com qualquer tecnologia imaginável hoje.

Mas duas equipes fizeram avanços substanciais na área do teletransporte quântico, usando técnicas e abordagens diferentes, colocando a técnica muito próxima da utilização prática no interior de computadores quânticos e para a transmissão e a criptografia de dados.

No primeiro experimento, o teletransporte passou a ser determinístico, alcançando um aproveitamento de quase 100%, passando a ser realizado, por assim dizer, ao apertar de um botão.

No segundo experimento, o teletransporte, também determinístico, passou a ser feito por um circuito de estado sólido, dispensando os complicados aparatos fotônicos.

Embora ainda não seja o suficiente para se sonhar em transportar objetos à distância, os dois avanços são importantes para a comunicação, a criptografia e computação quânticas.

Teletransporte de informações

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit.

Para isso, o teletransporte quântico depende do entrelaçamento quântico (ou emaranhamento), um fenômeno pelo qual duas partículas separadas têm efeito imediato uma sobre a outra - é o chamado efeito fantasmagórico à distância.

Como tudo o que acontece com a partícula A afeta imediatamente a partícula B, torna-se possível transferir a informação sem transferir fisicamente a partícula - as partículas continuam em seus lugares, mas a informação passa de uma para a outra.

Embora seja feito ao apertar de um botão - basta ligar o laser - o teletransporte da equipe do Japão e da Alemanha usa o tradicional sistema óptico. [Imagem: University of Tokyo]

Teletransporte ao apertar de um botão

Shuntaro Takeda e seus colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, juntaram duas técnicas já usadas anteriormente, combinando qubits fotônicos com o teletransporte de ondas ópticas - a informação é guardada em um bit quântico, mas viaja através de uma conexão clássica por fibra óptica.

Isto elimina a necessidade da medição pós-teletransporte para ver se a coisa funcionou. Com isto, a taxa de eficiência aumentou mais de 100 vezes em relação aos experimentos anteriores, deixando de ser probabilística para ser determinística.

Os qubits foram enviados do Japão até a Universidade Johannes Gutenberg, na Alemanha, viajando mais de 10.000 km, e chegando com uma precisão entre 79 e 82%. Para isso, em vez de entrelaçar apenas dois qubits, eles entrelaçaram vários deles, permitindo que mais informação fosse enviada de uma vez só.

Segundo os pesquisadores, em teoria é possível melhorar a técnica até uma eficiência de 100%, quando então o teletransporte de qubits será viável para uso direto em computadores quânticos.

Para isso, a equipe planeja agora cascatear dois ou três sistemas similares ao que eles acabam de criar.

Não, a formiga não foi teletransportada - ela só serve para mostrar as dimensões do circuito supercondutor que realizou o primeiro teletransporte inteiramente de estado sólido. [Imagem: Jonas Mlynek/ETH Zurich]

Teletransporte de estado sólido

No segundo experimento, Lars Steffen e seus colegas do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça teletransportaram seus qubits por uma distância muito menor: 6 milímetros.

Mas há duas grandes vantagens na técnica utilizada.

A primeira é que o teletransporte quântico foi feito usando um minúsculo circuito eletrônico de estado sólido, e não os enormes e delicados aparatos fotônicos - em vez da conexão óptica utilizada nos outros experimentos, a técnica usa circuitos supercondutores postos frente a frente.

A segunda vantagem é que o teletransporte é muito mais rápido, podendo transmitir até 10.000 qubits por segundo.

Isto coloca a abordagem dos pesquisadores suíços muito próxima da utilização prática em computadores quânticos, ainda que seja apenas para transmitir informações da memória para o processador, ou entre processadores.

Bibliografia:

Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system, L. Steffen, Y. Salathe, M. Oppliger, P. Kurpiers, M. Baur, C. Lang, C. Eichler, G. Puebla-Hellmann, A. Fedorov, A. Wallraff. Nature, Vol.: 500, 319-322. DOI: 10.1038/nature12422

Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique, Shuntaro Takeda, Takahiro Mizuta, Maria Fuwa, Peter van Loock, Akira Furusawa. Nature, Vol.: 500, 315-318. DOI: 10.1038/nature12366

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=teletransporte-pratico-computacao-quantica&id=010110130816&ebol=sim

Livros gratuitos (free books)

        Segue abaixo alguns links que disponibilizam livros para serem baixados gratuitamente. Os livros estão em inglês e este blog não possui direitos autorais de nenhum deles. Nos limitamos apenas a divulgar os links! Para acessá-los, basta clicar nas imagens ou nos títulos.

Room-Temperature Superconductivity

 

Superconductivity - Theory and Applications

 Applications of High-Tc Superconductivity

 

Superconductor

 

 

Superconductors - Materials, Properties and Applications

 

 

Superconductors - Properties, Technology, and Applications

 

 

Aplicações dos supercondutores (applications of superconductors)

       

       Segue abaixo uma pequena lista contendo algumas das mais importantes aplicações práticas dos sistemas supercondutores. O objetivo desse post é fornecer apenas uma ideia geral sobre onde são empregados estes materiais. Para uma visão mais profunda, vejas os links nas laterais desse blog e encontre livros para download gratuito como, por exemplo, Applications of High-Tc Superconductivity. Obs.: clicando nos links e nas imagens, a página será direcionada para a fonte das informações. Veja cada link e enriqueça ainda mais seus conhecimentos.

• SQUID: Superconducting QUantum Interference Device – Dispositivo Supercondutor de Interferência Quântica

        

             Componentes SQUID                              SQUID

O SQUID é o equipamento mais sensível para a detecção de campos magnéticos, capaz de medir intensidades da ordem de 10^–15 T. O campo da terra é em torno de 10^–6 T e o do cérebro humano é por volta de 10^–13 T. Em geral, o SQUID é usado para realizar medidas magnéticas de várias espécies de materiais, sendo por isso frequentemente denominado de magnetômetro SQUID. Sua capacidade de detecção é proporcionada pelas famosas junções Josephson.

Esquema básico de uma junção Josephson

Brian David Josephson previu que seria possível o tunelamento de pares de Cooper entre dois supercondutores separados por uma distância menor que 10 Å, na ausência de uma voltagem externa. A confirmação experimental de sua previsão veio no ano de 1963 por Anderson e Rowell. Uma junção Josephson é formada por dois supercondutores fracamente acoplados através de uma fina película isolante. A película pode ser feita a partir da oxidação do filme da base ou pela deposição de camadas adicionais de um metal oxidado, de um semicondutor ou de um metal normal. Quando utilizado material isolante, a espessura da barreira é de alguns nanômetros. Para uma barreira feita de material semicondutor ou normal, ela possui espessura de 10 a 100 vezes maior.

No SQUID, a corrente que entra no dispositivo é dividida em duas componentes que atravessam as duas JJ na forma de correntes de pares de Cooper. Quando o SQUID é submetido a um campo magnético, cada corrente varia periodicamente, passando por máximos consecutivos à medida que o fluxo magnético passa por múltiplos do quantum fundamental, . Dessa maneira, por meio de um circuito contador, pode-se determinar o número de máximos que a corrente atravessa e conhecer assim o fluxo magnético final.

Outra aplicação amplamente divulgada do SQUID é a magnetoencefalografia. Uma técnica que permite mapear o campo magnético gerado pela atividade cerebral, através de sensores que atuam em conjunto com um SQUID.

      

Transporte de corrente

Para atingir sua temperatura ideal de condução, o cabo supercondutor é resfriado com nitrogênio líquido.[Imagem: Nexans]

        Apesar de alguns materiais apresentaram altas temperaturas críticas e elevadas densidades de corrente, um grande desafio está na confecção de fios. Os cupratos ainda são os campeões da T_C, mas por serem materiais cerâmicos, ainda é impraticável substituir os comuns fios de cobre por supercondutores. Apesar disso, várias pesquisas estão dando ótimos resultados, como é o caso do maior cabo supercondutor do mundo. Instalado na Alemanha, unindo duas subestações na cidade de Ruhr e projetado para suportar uma carga de 40 MW (megawatts), o cabo será formado por seções concêntricas operando a 10.000 volts. Segundo engenheiros do Instituto de Tecnologia Karlsruhe, que projetaram o cabo, ele será o primeiro a incorporar um sistema de proteção contra sobrecargas, com limitador de corrente. O cabo supercondutor terá 1 km de extensão - para se ter uma ideia, o recorde mundial de intensidade de corrente elétrica foi batido com um cabo supercondutor de 30 metros de comprimento. (Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=maior-cabo-supercondutor-mundo)

Sistema de cabos supercondutores instalados em Nova York

Imagem da American Superconductor

RMN – ressonância magnética nuclear

Espectrômetro RMN da Oxford

        Esta técnica se baseia em gerar um campo magnético e orientar o spin dos núcleos (ou magnetização dos núcleos), após isto são gerados pulsos magnéticos que irão perturbar a magnetização dos spins e é medido o tempo que o spin demora para voltar à magnetização inicial. A intensidade do campo magnético necessária para orientar o núcleo dos átomos é obtida com o uso de supercondutores. No interior do equipamento, materiais supercondutores imersos em hélio líquido permitem gerar campos magnéticos altíssimos pela passagem de corrente elétrica.

LHC: Large Hadron Collider – Grande Colisor de Hádrons

Anel do LHC

       

        O Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CentroEuropeu de Pesquisas Nucleares (CERN) é o maior acelerador de partículas do mundo. O LHC consiste de um anel de 27 km de magnetos supercondutores com uma série de estruturas de aceleração para aumentar a energia das partículas ao longo do caminho. O enorme campo magnético necessário para acelerar as partículas a altíssimas velocidades próximas à da luz é gerado a partir dos supercondutores.

Outras aplicações

Limitadores de corrente

Motor

MagLev – trens de levitação magnética

Separador magnético industrial

Pesquisas em fusão nuclear

        Ainda há muitas outras aplicações dos materiais supercondutores que não foram mencionadas aqui. A maioria delas não faz parte do cotidiano do cidadão comum, como a computação quântica, por exemplo. É provável que nos próximos 20 anos a supercondutividade se aproxime mais da vida cotidiana e traga maiores benefícios pra humanidade. Espero e torço para que pesquisadores brasileiros tenham grande contribuição nesta jornada.