Observado um novo e intrigante comportamento em supercondutores de alta temperatura (puzzling new behaviour observed in high-temperature superconductors)

Pesquisadores do PSI: Thorsten Schmitt e Yaobo Huang. Crédito: Paul Scherrer Institute / Mahir Dzambegovic

        Uma equipe internacional de pesquisadores do National AcceleratorLaboratory, da Universidade de Stanford e do Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suíça), observaram um novo tipo de comportamento em supercondutores de alta temperatura à base de cobre. Explicar o novo fenômeno - uma nova forma do movimento coletivo das cargas elétricas no material - representa um grande desafio para os pesquisadores. Explicar o fenômeno satisfatoriamente pode ser um passo importante para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Os experimentos foram conduzidos no Scherrer Institute Paul Swiss Light Source. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Physics.

        “Materiais supercondutores à temperatura ambiente poderiam ajudar a salvar uma grande quantidade de energia”, explica Thomas Devereaux, chefe da equipe de pesquisa SLAC. “Mas, a fim de desenvolver tais materiais, temos que entender o que se passa dentro deles quando eles se tornam supercondutoras. Nossos resultados das últimas pesquisas fornecem uma peça chave neste quebra-cabeça de longa data.”

        Óxido de cobre - um material cerâmico - normalmente não conduz eletricidade. No entanto, pode tornar-se supercondutor se uma pequena fração dos átomos do material é substituído com átomos de certos outros elementos, aumentando ou diminuindo o número de elétrons no material - uma técnica chamada de doping (dopagem). Além disso, o material deve ainda ser fortemente esfriado. A quantidade de resfriamento depende do tipo de átomos substituídos: átomos que fornecem elétrons adicionais exigem esfriar o material a 30 K, ou seja, trinta graus acima do zero absoluto. Já átomos que reduzem o número de elétrons, é suficiente arrefecer a 120 Kelvin. Um dos objetivos da pesquisa era descobrir a razão para este comportamento diferente sob efeito da dopagem.

 

Mostrando o movimento dos portadores de carga

        A fim de determinar como a dopagem altera as propriedades do material, os pesquisadores utilizaram uma técnica experimental moderna baseada na luz de raios-X conhecida como Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS). Os experimentos foram realizados no instrumento RIXS do Scherrer Institute Paul Swiss Light Source (SLS). “Esta instalação atualmente possui a maior resolução do mundo e pode revelar como portadores individuais de carga - os elétrons – movem-se sob os estímulos dos raios-X incidentes. Os resultados de tais estímulos são excitações que podem ser imaginadas como ondas de propagação através do material se uma de suas propriedades muda em algum lugar”, explica Thorsten Schmitt, o cientista responsável por esta facilidade no Paul Scherrer Institute. Estas propriedades modificadas podem ser a distribuição das cargas elétrica ou a ordem magnética no material. A ordem magnética pode emergir quando elétrons dentro de alguns materiais se comportam como pequenos ímãs. Se estes ímãs estão dispostos num padrão regular, este é referido como uma ordem magnética. Ondas podem ser induzidas por esta ordem se ímãs individuais são movidos fora de posição e este deslocamento viaja de ímã para ímã. No entanto, a excitação não necessariamente se espalha no mesmo sentido em que os ímãs individuais foram movidos - bem como uma onda de água se desloca através da superfície da água, embora as moléculas de água individuais só se movem para cima e para baixo. Para ambos, a onda magnética e a onda de água, a direção de propagação da onda como um todo é importante, isto é, a direção em que a onda transporta energia, a qual, no caso da onda da água, é usada por um surfista, por exemplo.

 Esta animação mostra ondas de spin se propagando através de um material antiferromagnético, em que átomos vizinhos (bolas) têm spins opostos (setas). Quando um fóton, ou partículas de luz (bola de ouro), do comprimento de onda certo atinge um átomo e perturba a sua rotação, o distúrbio se espalha como ondulações na água. Estas ondas de spin podem ser detectadas com a técnica RIXS, que analisa a energia e a quantidade de movimento dos fótons emitidos pelo material perturbado. Experimentos realizados por uma equipe internacional de pesquisadores no PSI encontraram comportamentos incomuns de ondas de spin em um material supercondutor de óxido de cobre. O próximo passo é ver se e como esta nova excitação está relacionada com a capacidade do material conduzir eletricidade com 100% de eficiência. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory, Martin Böhm, Alain Filhol e Mathieu Ippersiel / Neutrons4Science

A mais alta precisão no instrumento PSI

“Em um experimento RIXS, você ilumina a amostra com raios-X, o que estimula uma onda magnética na amostra”, explica Schmitt. “Os raios-X transferem parte da sua energia para a onda magnética no processo. Comparando a energia da luz de raios-X que entra na amostra com a luz que sai, é possível recolher informações sobre as propriedades das ondas magnéticas estimuladas - especialmente sua energia”. Schmitt explica por que as medições foram realizadas no PSI: “Em nenhum outro lugar no mundo pode a energia de tais excitações ser medida com maior precisão do que em nosso instrumento RIXS no PSI”.

        Os experimentos revelaram duas coisas intrigantes. “Por um lado, a energia magnética transportada pela excitação aumentou por um fator inesperadamente grande nos materiais com excesso de elétrons. Por outro, a formação de novas excitações coletivas - uma forma particular do movimento coletivo de cargas elétricas - foi detectada nestes mesmos materiais”, relata Wei Sheng-Lee, o primeiro autor da publicação na revista Nature Physics. “No entanto, é um mistério a respeito do porque não observamos esse fenômeno em materiais com deficiência de elétrons, afinal, seria de esperar que eles se comportassem de forma semelhante àqueles com um excedente de elétrons.”

A longa e árdua luta para a compreensão

A nova descoberta é um dos passos na longa e árdua luta para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Desde 1950, os cientistas sabem por que certos metais e ligas simples tornam-se supercondutores quando são resfriados a alguns graus acima do zero absoluto. Seus elétrons se unem para formar pares, que são feitos em conjunto pelas oscilações atômicas que atuam como uma espécie de cola virtual. Acima de certa temperatura, a cola já não mantém os pares porque os átomos se movimentam cada vez mais forte e separa os elétrons, fazendo desaparecer a supercondutividade.

        Desde 1986, cientistas descobriram uma série de novos materiais que se tornam supercondutores a temperaturas mais elevadas, entre 30 e 120 K - os chamados supercondutores de alta temperatura. A esperança agora é ser capaz de produzir supercondutores à temperatura ambiente ou a temperaturas ainda mais altas se melhorarmos nossa compreensão de como esses materiais funcionam.

Como os elétrons formam pares

Permanece obscuro como exatamente ocorre o emparelhamento de elétrons. Até recentemente, a suposição era de que em temperaturas mais altas, os pares de elétrons são mantidos juntos por fortes excitações magnéticas, que são geradas pelas interações entre os spins de elétrons. As simulações computacionais mais recentes realizadas por pesquisadores da SLAC, revelam que as interações magnéticas de alta energia não podem ser as únicas responsáveis pela formação de pares de elétrons.

        De acordo com os últimos resultados, salienta Lee, também não é claro se a excitação coletiva das cargas elétricas está ligada ao emparelhamento de elétrons nos supercondutores de alta temperatura. Depois de tudo, não se sabe se o novo efeito é favorável para a supercondutividade ou se é um obstáculo.

        “Os físicos teóricos agora tem de considerar os novos resultados em suas explicações sobre a origem da supercondutividade de alta temperatura”, diz Schmitt.

Fonte1: http://phys.org/news/2014-10-puzzling-behaviour-high-temperature-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3117.html

Materiais combinados aumentam a temperatura de supercondutores (Study at SLAC Explains Atomic Action in High-Temperature Superconductors)

Nessa ilustração, uma única camada do supercondutor seleneto de ferro FeSe (bolas e varetas) foi colocado sobre outro material conhecido como STO (SrTiO₃). O STO é mostrado como pirâmides azuis, que representa o arranjo dos átomos. Um estudo da SLAC descobriu que, quando as vibrações naturais (brilho verde) do STO movem-se para o filme de seleneto de ferro, os elétrons no filme (esferas brancas) podem emparelhar-se e conduzir eletricidade com 100% de eficiência em temperaturas muito mais altas do que antes. Os resultados sugerem uma maneira de obter supercondutores que funcionem a temperaturas mais elevadas. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory

       Um estudo do Departamento de Energia do SLAC National Accelerator Laboratory sugere pela primeira vez como os cientistas podem projetar supercondutores que funcionam em altas temperaturas. Em seu artigo, a equipe liderada por pesquisadores do SLAC e da Stanford University explica porque uma fina camada de seleneto de ferro (FeSe) superconduz em temperaturas muito mais altas quando colocada em cima de outro material, o titanato de estrôncio STO (SrTiO₃).

       A descoberta, publicada na revista Nature, abre um novo capítulo em 30 anos de busca para desenvolver supercondutores que operem à temperatura ambiente, o que pode revolucionar a sociedade, tornando muito mais eficiente tudo que funciona com eletricidade. Apesar dos supercondutores de alta temperatura de hoje operarem em temperaturas muito mais elevadas do que os supercondutores convencionais, eles ainda funcionam somente quando refrigerados a –135 °C.

       No novo estudo, os cientistas concluíram que vibrações naturais de trilhões de vezes por segundo no STO viajam para dentro do filme de FeSe em pacotes distintos, como uma saraivada de gotas de água sacudida por um cachorro molhado. Estas vibrações doam a energia que os elétrons precisam para emparelhar-se e o material superconduz a temperaturas mais elevadas do que seria possível isolado.

       “Nossas simulações indicam que esta abordagem - usando vibrações naturais em um material para aumentar a supercondutividade em outro - poderia ser usada para elevar a temperatura de funcionamento dos supercondutores à base de ferro em 50%”, disse Zhi-Xun Shen, professor da SLAC e da Universidade de Stanford e principal autor do estudo. Enquanto esse ganho ainda se distancia da temperatura ambiente, acrescenta Shen, “Nós agora temos o primeiro exemplo de um mecanismo que poderia ser usado para projetar supercondutores de alta temperatura com controle de átomo por átomo e torná-los melhor.”

Essa imagem mostra um aspecto importante: colocar FeSe em cima do STO aumenta sua supercondutividade apenas se for aplicada uma única camada (esquerda). Quando mais de uma camada é sobreposta, as vibrações naturais que vêm acima da camada de STO não fornecem aos elétrons a energia que precisam para emparelhar-se e superconduzir (direita). (Fonte: SLAC)

‘Espionando’ elétrons

       O estudo investigou uma feliz combinação de materiais desenvolvida há dois anos por cientistas na China. Eles descobriram que, quando uma única camada de FeSe é depositada sobre o STO, a sua temperatura crítica salta de 8 para aproximadamente 77 K (–196 °C). Embora isso tenha sido um salto enorme e bem-vindo, seria difícil construir sobre esse avanço sem entender o que, exatamente, estava acontecendo. No novo estudo, os pesquisadores construíram um sistema para o crescimento de filmes de FeSe de uma única camada em um substrato de STO.

A equipe examinou o material com uma técnica extremamente sensível chamada ARPES (angle-resolved photoemission spectroscopy), a qual mede as energias e momentos de elétrons ejetados a partir de amostras atingidas com a luz de raios-X. Isto diz aos cientistas como os elétrons dentro da amostra estão se comportando. Os pesquisadores também contaram com a ajuda de teóricos que fizeram simulações para ajudar a explicar o que estavam observando.

Uma nova direção promissora

“Essa é uma experiência muito impressionante, que teria sido muito difícil ou impossível de fazer em qualquer outro lugar”, disse Andrew Millis, físico teórico da Columbia University especialista em matéria condensada, mas que não esteve envolvido no estudo. “Isso está claramente nos dizendo algo importante sobre o porquê de colocar uma camada fina de SeFe neste substrato, que todos pensavam que era inerte e chato, e muda as coisas dramaticamente. Abre muitas perguntas interessantes que certamente estimulará uma série de investigações.”

Os cientistas ainda não sabem o que mantém os pares de elétrons em conjunto para que eles possam transportar corrente facilmente em supercondutores de alta temperatura. Sem qualquer forma de inventar novos supercondutores de alta temperatura ou melhorar os antigos, o progresso tem sido lento. Os novos resultados “apontam para uma nova direção que as pessoas não tinham considerado antes”, disse Moore. “Eles têm o potencial para quebrar recordes em supercondutividade de alta temperatura e dar-nos uma nova compreensão das coisas que estivemos lutando por anos”.

Ele acrescentou que o SLAC está desenvolvendo uma nova linha de raios-X com um sistema ARPES mais avançado para criar e estudar esses e outros materiais exóticos. “Esse documento prevê um novo caminho para a engenharia da supercondutividade nestes materiais”, Moore disse, “e nós estamos construindo as ferramentas para isso”.

Além de pesquisadores do SLAC e de Stanford, também contribuíram para o estudo cientistas da University of British Columbia, da University of Tennessee, do Lawrence Berkeley National Laboratory e da University of California.

Fonte1: https://www6.slac.stanford.edu/news/2014-11-12-study-slac-explains-atomic-action-high-temperature-superconductors.aspx

 Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v515/n7526/full/nature13894.html

Cabo supercondutor abastece confiavelmente 10.000 domicílios com energia elétrica (superconducting cable reliably supplies 10,000 households with electricity)

As investigações fundamentais do KIT em materiais e componentes supercondutores bem como seus estudos de viabilidade contribuíram para o sucesso do AmpaCity. Crédito: KIT

180 dias ou 4.300 horas - neste período, o cabo supercondutor AmpaCity em Essen, Alemanha, vem conduzindo energia até agora. Em 27 de outubro, os parceiros do projeto, inclusive do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), estão fazendo um balanço positivo. O supercondutor transporta cinco vezes mais eletricidade do que os cabos de cobre convencionais, com quase nenhuma perda. Desde a sua inauguração em 30 de abril deste ano, o cabo de um quilômetro de comprimento já distribuiu cerca de 20 milhões de quilowatts-hora, o que corresponde ao consumo de cerca de 10 mil domicílios em Essen.

Cabo supercondutor (Foto: Nexans)

      “O projeto AmpaCity mostra que é possível transferir a investigação fundamental para aplicações”, diz Mathias Noe, chefe do Instituto de Física Técnica do KIT e parceiro do projeto de AmpaCity. “A pesquisa contribui para resolver os desafios da sociedade, como a transformação do sistema de energia na Alemanha. Para este fim, a pesquisa fundamental orientada à aplicação financiada por fundos federais ocorre em estreita cooperação com o desenvolvimento industrial inovador.”

Após 180 dias de operação, os parceiros do projeto deram um primeiro parecer positivo. “Até agora, a operação ocorreu sem nenhum problema. Temos obtido resultados técnicos valiosos que nos ajudaram a otimizar ainda mais o sistema supercondutor”, disse Dr. Joachim Schneider, Diretor Técnico da RWE Deutschland. Os parceiros do projeto modificaram o esquema de monitoramento do sistema para uma melhor integração do supercondutor com o sistema de proteção da rede elétrica de Essen. Além disso, o ciclo de resfriamento do cabo foi adaptado para as necessidades especiais de AmpaCity. 

 Fonte: http://www.rwe.com/web/cms/de/1301026/rwe-deutschland-ag/energiewende/intelligente-netze/ampacity/

O emblemático projeto AmpaCity que ganhou reconhecimento em todo o mundo é financiado por verbas do Ministério Federal da Economia e Energia (BMWi). “A diversificação da energia necessita de inovações corajosas para um projeto eficiente e seguro do sistema de energia de amanhã. É por isso que nós deliberadamente selecionamos este excelente projeto para financiamento no âmbito do nosso programa de pesquisa de energia”, disse Uwe Beckmeyer, Subsecretário de Estado com o Ministro Federal da Economia e Energia, durante a sua visita em Essen. O BMWi financiou o projeto com 5,9 milhões de euros. Um investimento de 13,5 milhões de euros foi feito pelos parceiros do projeto. Estes são RWE com o operador da rede, a fabricante de cabos Nexans, e o Karlsruhe Institute of Technology (KIT), que cientificamente contribui com os testes de campo.

Antes do projeto AmpaCity, o KIT coordenou um estudo detalhado relativo à viabilidade técnica e eficiência econômica do uso de supercondutores em nível de tensão média intra-urbana. Cabos supercondutores são a opção mais razoável para reduzir os cabos de alta tensão nas redes urbanas e simplificar a estrutura das redes. Cabos de cobre de média tensão podem transmitir altas potências em cidades com custos comparativamente baixos, mas as perdas ôhmicas são elevadas. O estudo preliminar destaca as vantagens associadas com o uso de supercondutores de 10.000 volts na grade de distribuição intra-urbana e na desmontagem de instalações de alta tensão. No médio prazo, isso resultaria em uma eficiência melhorada, uma grade mais enxuta e redução dos custos de operação e manutenção com um consumo menor de áreas na cidade. Em Essen, o cabo supercondutor de 10.000 volts substitui uma linha convencional de 110.000 volts.

Fonte: http://phys.org/news/2014-11-superconducting-cable-reliably-households-electricity.html

Isolante topológico supercondutor (topological insulator goes superconducting)

Esquerda: filmes ultrafinos de Bi₂Se₃ epitaxialmente crescido na superfície (0001) do supercondutor monocristalino 2H-NbSe₂ usando a técnica de epitaxia de feixe molecular (molecular beam epitaxy technique). Centro: curvas de intensidade ARPES e mapa de dispersão ARPES de alta resolução do filme Bi₂Se₃ sobre NbSe₂ depois de "destapar" usando uma energia de fóton incidente de 50 eV (no detalhe). Direita: a direção da polarização de spin dos elétrons no nível de Fermi do supercondutor Bi₂Se₃. Cortesia: S-Y Xu

Físicos dos EUA e Taiwan dizem que encontraram a primeira evidência da supercondutividade no isolante topológico seleneto de bismuto graças às novas observações espectroscópicas. A descoberta não é apenas de fundamental importância para uma série de teorias de física da matéria condensada e de partículas, mas pode até ser explorada para construir no futuro qubits topológicos tolerantes a falhas.

Isolantes topológicos são materiais artificialmente construídos isolantes no volume da amostra, mas que podem conduzir eletricidade na superfície. Uma equipe de pesquisadores liderada por Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, usando a técnica angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), afirmam ter visto o “emparelhamento de Cooper” (a marca registrada da supercondutividade) nos elétrons que se encontram na superfície do isolante topológico Bi₂Se₃. ARPES é uma das formas mais diretas de estudar a estrutura eletrônica e supercondutividade em sólidos.

Supercondutividade é um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem em direções opostas superando a repulsão eletrostática para formar pares de Cooper abaixo de uma certa temperatura de transição. Estes pares podem condensar em um único estado quântico e mover-se sem resistência elétrica através do material supercondutor.

“Em supercondutores convencionais, elétrons de condução que se deslocam ao longo de uma determinada direção têm seus spins em ambas as direções, ‘up’ e ‘down’, e os dois tipos de elétrons podem emparelhar-se”, explica o membro da equipe Su-Yang Xu, também de Princeton. “Isolantes topológicos são diferentes. Os elétrons se movendo em uma direção deverão ter apenas elétrons com spin-up disponíveis para emparelhar-se, e aqueles que se movem na direção oposta só tem elétrons spin-down disponíveis. É por isso que as superfícies de isolantes topológicos são também chamadas de ‘half-Dirac-gas’ porque apenas metade dos elétrons está disponível para contribuir com a corrente elétrica de resistência zero. Além disso, as fortes interações dos pares de Cooper que existem em alguns supercondutores estão ausentes em isolantes topológicos e a supercondutividade nestes sistemas existe em um estado ‘fracamente interagente’. Fracamente interagente nesse contexto, significa que os elétrons não se repelem fortemente.”

Emparelhamento helicoidal de Cooper

Os pesquisadores mediram a energia cinética e a direção de spin dos elétrons ejetados de uma amostra de Bi₂Se₃ em um substrato de seleneto de nióbio (NbSe₂). “O processo de fotoemissão nos fornece informações extremamente úteis sobre a estrutura eletrônica e propriedades de um material”, diz Xu, “e a técnica com resolução de spin fornece informações adicionais sobre como são configurados os spins dos elétrons no material”.

Graças às temperaturas ultrabaixas em que realizaram os experimentos, Hasan e seus colegas dizem que eles foram capazes de observar pela primeira vez o “emparelhamento helicoidal de Cooper” em um sistema eletrônico de Dirac, fazendo uso de uma coisa chamada momentum-resolved Bogoliubov quasiparticle spectrum do isolante topológico quando é colocado sobre um substrato de um supercondutor convencional como o NbSe₂.

Férmions de Majorana e outra física exótica

A teoria prevê que partículas chamadas férmions de Majorana (partículas que são suas próprias antipartículas) poderiam ser feitas através da combinação de um supercondutor convencional com um isolante topológico. Uma série de outros aspectos fundamentais da física exótica também pode estar à espreita em tais estados de superfície no estado sólido.

Férmions de Majorana são previstos em física de alta energia, mas ainda não foram observados em experimentos de física de partículas. “Se eles forem encontrados na matéria condensada, como em um supercondutor topológico tipo half-Dirac-gas, eles podem ser usados para construir o famoso qubit topológico - o que nos ajudaria a fazer um computador quântico tolerante a falhas”, diz Xu. Isto porque férmions de Majorana - ao contrário dos familiares férmions de Dirac, como os elétrons - obedecem as “estatísticas não-Abelianas” e assim devem ser robustos ao ruído ambiental de fundo. Férmions de Majorana poderiam armazenar e transmitir informação quântica sem perturbação externa, o que é um dos principais desafios para quem tenta construir hoje um computador quântico prático e tolerante a falhas.

Testando a física de alta energia no estado sólido?

A supersimetria (outra teoria da física de alta energia) é outro exemplo interessante que ainda tem que ser testada em aceleradores de partículas. “Aqui, os bósons (partículas de spin inteiro) e férmions (partículas de spin semi-inteiro) podem ser convertidos um no outro em altas energias. Teóricos da matéria condensada dizem que ambas, a supersimetria e os férmions de Majorana, podem ser produzidos na mesma configuração do estado sólido - como o ‘spin-momentum locked’ half-Dirac gas que temos estudado”.

Até agora, todas as reivindicações de ver férmions de Majorana foram em sistemas de isolantes não-topológicos, mas um isolante topológica de Majorana seria uma partícula muito robusta, de longa duração.

Estimulado por suas observações, a equipe diz que agora está planejando uma técnica híbrida de espectroscopia de fotoemissão (combinação de espectroscopia de tunelamento e de transporte elétrico) para procurar um férmion de Majorana, e mais importante, as partículas de supersimetria (SUSYs) no componente helicoidal isolado dos pares de Cooper estudados no presente trabalho.

Embora nossos dados atuais não forneçam qualquer evidência para a supersimetria, esta é uma emocionante - e alguns diriam ambiciosa - direção futura que esperamos prosseguir graças a nossa identificação do emparelhamento helicoidal de Cooper, diz Xu.

A pesquisa está detalhada no artigo da Nature Physics.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59246

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3139.html

Circuitos supercondutores viabilizados por nanofios (superconducting circuits, simplified)

Novo design do circuito poderia desbloquear o poder de chips de um computador supercondutor

Chips de computador com circuitos supercondutores seriam de 50 a 100 vezes mais eficientes que os chips atuais, uma característica atraente dado o crescente consumo de energia. Chips supercondutores também prometem dar maior poder de processamento: testes mostraram que circuitos supercondutores usando junções Josephson foram 500 vezes mais velozes que o chip do iPhone 6. Porém, chips contendo junções Josephson são grandes e difíceis de fazer e pior: eles usam correntes tão pequenas que os resultados de seus cálculos são difíceis de detectar.

Chip contendo o nTron que realizou o primeiro cálculo usando o novo circuito supercondutor. Foto: Adam N. McCaughan

        Porém, pesquisadores do MIT apresentaram um novo projeto de circuito que poderia tornar dispositivos supercondutores muito mais baratos de fabricar. E enquanto a velocidade dos circuitos provavelmente não estaria no topo dos chips atuais, poderia resolver o problema da leitura dos resultados dos cálculos realizados com junções Josephson.

Adam McCaughan, estudante de pós-graduação em engenharia elétrica do MIT e o professor Karl Berggren - chamam seu dispositivo de nanocryotron. O cryotron foi um circuito de computação desenvolvido em 1950 pelo professor Dudley Buck. O cryotron foi brevemente objeto de grande interesse como a possível base para uma nova geração de computadores, mas foi superado pelo circuito integrado.

“Nós já usamos o nosso dispositivo em aplicações que serão altamente relevantes para o trabalho futuro de computação com supercondutores e comunicações quânticas”, diz McCaughan.

O laboratório de Berggren concentra-se em circuitos supercondutores feitos a partir de nitreto de nióbio, que tem a temperatura de funcionamento relativamente elevada, 16 K (-257 °C). Isso é possível com hélio líquido, o qual, num chip supercondutor, provavelmente circulará através de um sistema de tubos dentro de uma caixa isolada. Um sistema assim que emprega hélio líquido no resfriamento, naturalmente aumentaria o consumo de energia de um chip supercondutor. Mas uma vez que o ponto de partida é de cerca de 1% da energia requerida por um chip convencional, a economia ainda pode ser enorme. Além disso, computação com supercondutores permitiria aos centros de dados dispensarem os sistemas de refrigeração que atualmente mantém seus servidores livres de superaquecimento.

Circuitos supercondutores baratos também podem permitir a construção de detectores de um único fóton, um componente essencial de qualquer sistema de informação que explora os speedups computacionais prometidos pela computação quântica rentável.

Projetado como um T

O nanocryotron - ou nTron – consiste de uma única camada de nitreto de nióbio depositado sobre um isolante em um padrão que se parece mais ou menos com a letra maiúscula “T”. Mas onde a base do T junta-se à barra transversal, se reduz a um décimo de sua largura. Elétrons navegando livremente através da base do T são subitamente esmagado juntos, produzindo calor, que se irradia na barra transversal e destrói a supercondutividade do nitreto de nióbio.

        A corrente aplicada à base do T pode desligar uma corrente que flui através da barra transversal. Isso faz do circuito uma chave (disjuntor, comutador), o componente básico de um computador digital. Após a corrente na base ser desligada, a corrente na barra será retomada somente após a junção ser esfriada. Esse resfriamento não leva muito tempo. Mas os circuitos não são susceptíveis de superar o 1 gigahertz típico dos chips atuais. Ainda assim, eles podem ser úteis em aplicações onde a velocidade não é tão importante quanto a eficiência energética.

        A aplicação mais promissora, no entanto, pode ser tornar acessível o cálculo com junções Josephson. Junções Josephson usam correntes minúsculas que até agora têm exigido equipamentos de laboratório muito sensíveis para detectar. Elas não são fortes o suficiente para mover os dados para um chip de memória local, muito menos para enviar um sinal visual para um monitor de computador.

Em experimentos, McCaughan demonstrou que correntes ainda menores do que as encontradas em dispositivos de junção Josephson foram suficientes para mudar o nTron de condutor para um estado não condutor. E, enquanto a corrente na base do T pode ser pequena, a passagem de corrente através da barra transversal pode ser muito maior - grande o suficiente para transportar a informação a outros dispositivos em uma placa-mãe de computador.

        “Acho que este é um grande dispositivo”, diz Oleg Mukhanov, diretor de tecnologia da Hypres, uma empresa de eletrônica de supercondutores cujos produtos dependem de junções Josephson. “Nós estamos considerando seriamente o uso do nTron em memória. Há várias atrações deste dispositivo”, diz Mukhanov. “Primeiro, é muito compacto, porque afinal de contas, é um nanofio. Um dos problemas com junções Josephson é que elas são grandes. Se você compará-las com transistores CMOS, elas são apenas fisicamente maior. A segunda é que as junções Josephson são dispositivos de dois terminais. Transistores semicondutores são de três terminais, e isso é uma grande vantagem. Da mesma forma, nTrons são dispositivos de três terminais.”

        “Uma das características que também nos atrai é que planejamos integrá-lo com dispositivos spintrônicos magnetoresistivos, mRAM, memórias magnéticas de acesso aleatório, à temperatura ambiente. E uma das características destes dispositivos é que eles são de alta impedância. Eles estão na faixa de kilo-ohms, e se você olhar para junções Josephson, são apenas alguns ohms. Portanto, há um grande descompasso, o que torna muito difícil do ponto de vista de engenharia elétrica combinar esses dois dispositivos. NTrons são dispositivos de nanofios, por isso eles são de alta impedância também. Eles são naturalmente compatíveis com os elementos magnetoresistivos”, diz Mukhanov.

Fonte1: http://newsoffice.mit.edu/2014/cheaper-superconducting-computer-chips-1017


Fonte2:  http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl502629x