Geladeira supercondutora esfria metais a mK (superconducting cascade electron refrigerator)

O refrigerador de elétrons supercondutor, com uma configuração S2|S1|N|S1|S2, pode esfriar um metal de 0,5 K a 100 mK em um processo de duas fases em cascata. Crédito: M. Camarasa-Gómez et al. © 2014 AIP Publishing LLC

Resfriar objetos microscópicos a temperaturas próximas do zero absoluto requer tecnologias de refrigeração não convencionais. Um método de resfriamento em microescala é a refrigeração supercondutora, na qual as quase-partículas (excitações coletivas) quentes de metais não-supercondutores são transportadas para os supercondutores. Essa técnica pode esfriar objetos microscópicos bem abaixo de 1 K. Em um novo estudo publicado na Applied Physics Letters, uma equipe de pesquisadores, M. Camarasa-Gómez et al., da Itália e da França, propôs um novo design para um refrigerador supercondutor em que o resfriamento é realizado em uma cascata de passos. Devido a esta operação de múltiplos estágios, o refrigerador pode esfriar um metal normal de 0,5 K a 100 mK com melhor desempenho em comparação com técnicas similares.

‘Geladeiras’ supercondutoras são compostas de supercondutores (S), metais normais (N) e barreiras de tunelamento (|) que muitas vezes são dispostos em uma configuração simétrica; por exemplo, S|N|S. Quando uma tensão é aplicada aos supercondutores, quase-partículas quentes no metal normal tunelam através das barreiras | para os supercondutores, arrefecendo o metal. O projeto proposto consiste na configuração S|N|S com um contato túnel supercondutor adicional em cada extremidade: S2|S1|N|S1|S2. Uma voltagem é aplicada aos supercondutores S2, levando a primeira quase-partícula quente do metal normal para os supercondutores S1, e, em seguida, para os supercondutores S2. Cada evento de encapsulamento remove o calor, resultando em uma corrente de calor que flui a partir do interior para o exterior.

“Uma geometria cascata permite arrefecer uma primeira fase supercondutora, que é utilizado como um banho térmico local em uma segunda etapa,” explicam os pesquisadores.

Este método de arrefecimento em cascata exige que os componentes tenham certas propriedades, em particular as resistências, a fim de operar corretamente. Os investigadores esperam que estes requisitos sejam facilmente implementados em um dispositivo prático utilizando uma combinação de vanádio, alumínio e cobre. A cascata de elétrons supercondutores poderia ser usada para o resfriamento de ambos os objetos macroscópicos e microscópicos, incluindo sensores ultrafrios para instrumentos astronômicos. 

Fonte 1: http://phys.org/news/2014-06-superconducting-refrigerator-cools-tunneling-cascade.html

Fonte 2: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/104/19/10.1063/1.4876478

M. Camarasa-Gómez, etal. “Superconducting cascade electron refrigerator.” Applied Physics Letters 104, 192601 (2014). DOI: 10.1063/1.4876478

Pontos quânticos críticos na transição de fase normal-supercondutor (two-stage magnetic-field-tuned superconductor–insulator transition)

X. Shi, Ping V. Lin, T. Sasagawa, V. Dobrosavljevic, D.Popovic. Two-stage magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition inunderdoped La2-xSrxCuO4. NaturePhysics, Published Online (4 May 2014); doi:10.1038/nphys2961

      Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio desvendaram as complexidades das flutuações de fase quântica durante a transição supercondutor-isolante em supercondutores de alta temperatura. A transição supercondutor-isolante (SI) nos cupratos é normalmente feita pela aplicação de um campo magnético. No entanto, devido às complexidades da supercondutividade, muitas questões ainda devem ser respondidas sobre o processo exato que está subjacente à transição e as fases quânticas associadas que o material sofre. Os cientistas pensavam que os supercondutores de alta temperatura tinha um único ponto quântico crítico na transição supercondutor-isolante. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores dos EUA e do Japão, descobriram uma transição de dois estágios no sistema LSCO (lantânio-estrôncio-cobre-oxigênio).

“A delicada interação de flutuações térmicas, flutuações quânticas e desordem, leva a um complexo diagrama de fase de matéria de vórtice H-T [campo magnético-temperatura]”, afirmam os autores em seu artigo publicado na revista Nature Physics. 

Os pesquisadores mediram a resistividade elétrica do material em campos magnéticos de até 18 T em diferentes temperaturas abaixo de 0,09 K, revelando a imagem completa do SI. Eles utilizaram uma variedade de LSCOs que tinham sido criados usando técnicas diferentes, de modo a separar os efeitos de preparação da amostra. A equipe de Sasagawa descobriu que os LSCOs mostram uma transição de fase em duas etapas induzida pelo campo magnético, a T = 0 K, antes de se tornarem isolantes. Primeiro, o material forma um estado supercondutor contendo a rede de vórtice conhecida como ‘‘vidro de Bragg’’. Nesta fase, o material apresenta resistividade zero a temperatura finita. Depois de um primeiro ponto crítico atingido, ele passa para uma fase supercondutora desordenada, ou ‘‘vidro de vórtice’’, em que o arranjo dos vórtices torna-se amorfo. Nesta fase, a resistividade zero só é obtida no zero absoluto. Depois de um segundo ponto crítico alcançado, a supercondutividade é perdida e os LSCOs tornam-se isolantes.

Os investigadores concluem: 

“Nossos resultados fornecem informações importantes sobre a interação da física de vórtices e a criticalidade quântica em supercondutores de alta temperatura, fazendo a ponte entre o seu comportamento na região ‘clássica’ de alta T e a menos explorada região 'quântica' de baixa T.”

O trabalho realizado pelos pesquisadores da Florida State University (liderada pelo professor Popovic) e Tokyo Institute of Technology (liderada pelo professor Sasagawa) prova pela primeira vez que supercondutores de alta temperatura (LSCO) passam por dois pontos quânticos críticos antes de se tornarem isolantes, devido ao sutil efeito das flutuações de temperatura e perturbações do campo magnético sobre o estado de vórtice. Sua pesquisa pode melhorar a compreensão da supercondutividade de alta temperatura sob campos magnéticos e fornecer uma informação importante sobre a aplicação de supercondutores de alta temperatura. 

Fonte 1: http://phys.org/news/2014-05-insights-stages-high-temperature-superconductivity.html

Fonte 2: X. Shi, Ping V. Lin, T. Sasagawa, V. Dobrosavljevic, D. Popovic. Two-stage magnetic-field-tuned superconductor-insulator transition in underdoped La_2-xSr_xCuO₄. Nature Physics, Published Online (4 May 2014);DOI: 10.1038/nphys2961.

Pesquisadores afirmam ter resolvido enigma dos high-Tc (superconducting secrets solved after 30 years)

Mapa da estrutura do óxido de cobre supercondutor. Image: Nicolle R Fuller

        Pesquisadores da Universidade de Cambridge descobriram que ondas de elétrons, conhecidas como ondas de densidade de carga (charge density waves), criam “bolsões” retorcidos de elétrons, a partir do qual emerge a supercondutividade. Os resultados foram publicados em 15 de junho na revista Nature. Clique aqui!

Um dos problemas com supercondutores de alta temperatura é que não sabemos como encontrar novos, não sabemos quais os ingredientes responsáveis ​​pela criação da supercondutividade de alta temperatura, disse Dr. Sebastian Suchitra do Laboratório Cavendish, autor principal do artigo. Nós sabemos que há algum tipo de cola que faz com que os elétrons se emparelhem, mas não sabemos o que é essa cola.

        Para decodificar o que faz supercondutores de alta temperatura, os pesquisadores trabalharam ao contrário: determinando quais as propriedades que os materiais têm no estado normal, eles podem descobrir o que estava causando a supercondutividade.

Estamos tentando entender quais os tipos de interações acontecem no material antes de os elétrons emparelharem, uma dessas interações deve ser responsável pela criação da cola, disse Sebastian. Uma vez que os elétrons já estão emparelhados, é difícil saber o que os fez emparelhar-se. Mas se nós podemos quebrar os pares, então podemos ver o que os elétrons estão fazendo e esperamos entender de onde a supercondutividade veio. Determinando o estado normal de um supercondutor, faria o processo de identificação de novos muito menos aleatório, saberíamos que tipos de materiais a serem procurados, disse Sebastian.

        Trabalhando com campos magnéticos extremamente fortes, os pesquisadores foram capazes de cancelar o efeito supercondutor em cupratos. As tentativas anteriores para determinar as origens de supercondutividade, determinando o estado normal, usaram a temperatura em vez do campo magnético, mas levou a resultados inconclusivos.

        Estas experiências foram capazes de resolver o mistério em torno da origem de bolsas de elétrons no estado normal para criar a supercondutividade. Anteriormente, era amplamente difundida a ideia de que os bolsões de elétrons estavam localizados na região de forte supercondutividade. Em vez disso, os atuais experimentos usando fortes campos magnéticos revelou uma peculiar geometria, onde cada camada vai em uma direção diferente.

    Estes resultados apontaram os locais de bolsões onde a supercondutividade é mais fraca, e sua origem em ondas de elétrons conhecidas como ondas de densidade de carga. É esse estado normal que é substituído para produzir a supercondutividade na família de supercondutores dos cupratos.

Ao identificar outros materiais que têm propriedades semelhantes, esperamos que nos ajude a encontrar novos supercondutores a temperaturas cada vez mais altas, até mesmo, à temperatura ambiente, o que poderia abrir uma enorme gama de aplicações, disse Sebastian.

Fonte: http://www.cam.ac.uk/research/news/superconducting-secrets-solved-after-30-years

Fonte: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13326.html

SuperMagLev Chinês: o maglev supercondutor asiático (chinese superconducting maglev)

Fonte: http://english.swjtu.edu.cn/public/viewNews.aspx?ID=154

        O primeiro maglev supercondutor tripulado da China foi testado com sucesso pelo Applied Superconductivity Laboratory of Southwest Jiaotong University (Laboratório de Supercondutividade Aplicada da Universidade Jiaotong).

O veículo ‘super-maglev’ fechado em um tubo foi revelado na universidade Jiaotong, cidade de Chengdu, província de Sichuan, na China. Ele foi testado com sucesso pelo Laboratório de Supercondutividade Aplicada, e poderia aumentar ainda mais a velocidade de trens de alta velocidade comercial. Na foto, um estudante indo para um passeio de teste

         O líder do projeto é o Dr. Deng Zigang, que tem desenvolvido a tecnologia há alguns anos. Em março de 2013 ele concluiu o primeiro teste do maglev no anel supercondutor de alta temperatura, que foi semelhante ao que você pode ver aqui, mas sem o tubo fechado. Mas agora a nova linha pode ser ajustada para inaugurar uma nova onda de trens mais rápidos do que nunca antes visto.

      O trem de transporte de passageiros mais rápido do mundo é atualmente o Shanghai Maglev Train, inaugurado em abril de 2004, que pode chegar a 268 milhas (431 km) por hora. A super-levitação magnética, no entanto, pode permitir velocidades ainda maiores. Isso porque, através da utilização de um tubo de vácuo, as limitações de velocidade impostas pela resistência do ar são removidas. Em um artigo sobre o assunto, o Dr. Zigang diz: “Se a velocidade de funcionamento for superior a 400 km por hora, mais de 83% de energia de tração será desperdiçada pela resistência do ar”. E acrescenta: “o ruído aerodinâmico vai ultrapassar 90 decibéis (o padrão ambiental é 75 decibéis)”. A única maneira de quebrar essa barreira é reduzir a pressão do ar no ambiente de funcionamento, o que ele fez no seu tubo, baixando-a para 10 vezes menos do que a pressão atmosférica normal, ao nível do mar. Sistemas ETT (Evacuated Tube Transport - Tubo de Transporte Evacuado) pode permitir que os ‘supermaglev’ alcancem velocidades em uma nova ordem de magnitude, como 3.000 km/h (1.800 milhas), o que poderia ser aplicado a alguns sistemas de lançamento militares ou espaciais.

Dr. Deng Zigang, professor associado do Laboratório de Supercondutividade Aplicada da Universidade Jiaotong, posa com a faixa onde o veículo super-maglev funciona. O círculo, a primeira linha do maglev supercondutor tripulado da China, é de 12 metros de diâmetro

         Para desenvolver o projeto, o Dr. Zigang teve que alcançar duas metas. “A primeira foi desenvolver um veículo maglev numa linha de anel supercondutor de alta temperatura que pudesse acelerar a uma velocidade de 25 km/h”. Esta meta foi alcançada em fevereiro de 2013, levando os pesquisadores a avançar para a próxima fase. “A segunda fase foi cobrir a linha do anel com um tubo de evacuação”, continua Dr. Zigang. “O veículo foi projetado para acelerar a uma velocidade máxima de 50 km/h, sem passageiros. Esta velocidade é limitada pelo pequeno raio do anel do trilho, que é de 6 metros. O significado do projeto é que ele vai ser o primeiro a fazer o protótipo do futuro tubo de transporte de evacuação. Neste momento, estamos realizando testes de evacuação no novo sistema. No futuro próximo vamos divulgar nossas realizações após execução bem sucedida.”

Dr. Zigang opera um veículo super-maglev por controle remoto durante o período de experiência. Em um artigo ele afirma que tais sistemas podem atingir velocidades tão altas quanto 1.800 milhas (3.000 km) por hora

Fonte: http://english.swjtu.edu.cn/public/viewNews.aspx?ID=154