Criado na China o centro de pesquisa Russo-Chinês de prótons supercondutores (Russian-Chinese center for superconducting proton research set up in China)

Um centro russo-chinês para a pesquisa de prótons supercondutores, foi criado na cidade chinesa de Hefei com a participação do Joint Institute for Nuclear Research (sediada em Dubna, perto de Moscou).

“A China e a Rússia cooperam na pesquisa sobre fusão nuclear há mais de 30 anos, e a parceria entre os dois países neste campo tem crescido constantemente”, afirma Kuang Guangli, diretor do Instituto de Física de Plasma da Academia Chinesa de Ciências.

Guangli afirmou que nos próximos três anos, os engenheiros do centro pretendem desenvolver o primeiro dispositivo médico na China para o tratamento de câncer e outras doenças graves. Em consonância com os acordos assinados, em 2017 a China vai desenvolver os principais sistemas e peças para o novo dispositivo médico e, em 2018 especialistas dos dois países vão fazer os primeiros testes.

O uso de terapia de radiação e quimioterapia no tratamento do câncer mata não apenas as células cancerosas, mas também grandes números de células saudáveis.

O uso de prótons de alta energia e de íons pesados ​​tornará possível atingir diretamente o tumor sem danificar os sistemas saudáveis ​​do corpo humano. Vários países do mundo investigam esse tema nos dias atuais.

O Joint Institute for Nuclear Research é um dos líderes no desenvolvimento deste tipo de equipamento médico. O instituto é uma organização de pesquisa científica internacional estabelecido através da Convenção assinada em 26 de março 1956 por onze Estados e registrado com as Nações Unidas em 1 de Fevereiro de 1957. Ele está situado em Dubna, não muito longe de Moscou.

Fonte: http://tass.ru/en/science/845809

Como filmes finos supercondutores suportam fortes campos magnéticos (How Thin Film Superconductors Withstand Strong Magnetic Fields)

Campos magnéticos internos em filmes finos de MoS₂ ajuda-os a suportar campos magnéticos externos de até 37 Tesla, dizem os cientistas_.

Cientistas descobriram como a supercondutividade em filmes finos de dissulfeto de molibdênio (MoS₂) pode, ao contrário de outros supercondutores, suportar campos magnéticos muito fortes_. A descoberta poderia ser útil na fabricação de computadores quânticos_.

          A supercondutividade é um fenômeno quântico no qual os elétrons formam pares e fluem com resistência zero_. No entanto, fortes campos magnéticos quebram os pares de elétrons e destroem a supercondutividade_.

         Pesquisadores liderados pelo professor Ye Jianting da Universidade de Groningen, descobriram que a supercondutividade em filmes finos de MoS₂ pode resistir a um campo magnético de 37 Tesla_. Era necessária uma explicação para o fenômeno e o professor K_. T_. Law da Universidade de Hong Kong resolveu o enigma_.

         Law e seu aluno propuseram que a estrutura da rede dos filmes finos de MoS₂ permite que os elétrons movam-se no material experimentando fortes campos magnéticos internos de cerca de 100 Tesla_. Este tipo especial de campo magnético interno, em vez de prejudicar a supercondutividade, protege os pares de elétrons supercondutores dos campos magnéticos externos_.

        A equipe de pesquisa chama este tipo de material de supercondutor ‘Ising’_. Eles também previram que muitos outros supercondutores com estrutura de rede semelhante ao MoS₂ pertenceriam a mesma família de supercondutor Ising_.

         Além da capacidade de suportar um campo magnético forte, a equipe do professor Law salienta que pode ser utilizado para criar um novo tipo de partícula chamada férmions de Majorana_. Estes férmions podem ser úteis na fabricação de computadores quânticos_.

       “Muitas propriedades e aplicações de supercondutores Ising ainda devem ser descobertas”, disse Law_. “Agora que entendemos o mecanismo de como certos materiais se tornam resistentes à interferência de campos magnéticos externos, podemos procurar materiais com características semelhantes às do MoS_2. Estou certo de que iremos descobrir mais supercondutores Ising em breve”, acrescentou_.

Fonte1: http://www_.asianscientist_.com/2015/12/in-the-lab/hkust-scientists-explain-theory-ising-superconductivity/

Fonte2: http://www_.sciencemag_.org/content/350/6266/1353

Físicos desvendam o comportamento dos supercondutores fortemente desordenados (Physicists unravel behavior of strongly disordered superconductors)

A diferença entre os supercondutores convencionais e supercondutores que exibem pseudogap. Em supercondutores convencionais, quando a temperatura está acima do valor crítico, a supercondutividade desaparece devido à quebra dos pares de Cooper, mas em supercondutores que exibem pseudogap isso acontece porque o arranjo desordenado começa a dificultar o deslocamento dos pares de Cooper, e tornam-se localizados em uma região particular da rede. Imagem: cortesia de MIPT Press Service.

    Os físicos Mikhail Feigel'man e Lev Ioffe explicaram o efeito incomum em um número de materiais supercondutores. Usando uma teoria que desenvolveram anteriormente, os cientistas conectaram a densidade de portadores supercondutor com as propriedades quânticas de uma substância.

       No artigo publicado pelos cientistas, eles discutem os chamados supercondutores de pseudogap. O termo gap aparece na teoria quântica da supercondutividade e é uma definição para a abertura característica em um diagrama de distribuição de energia do elétron, o espectro de energia. É feita uma distinção entre os supercondutores com um gap ‘convencional’ e supercondutores especiais, que mesmo em seu estado normal, demonstram algo semelhante a um gap - ele é chamado de pseudogap.

Pares de elétrons e supercondutividade

    A fim de entender o que é um gap, nós precisamos examinar brevemente a teoria por trás do termo. Atualmente, não existe um modelo completo que é capaz de explicar o fenômeno da supercondutividade em detalhes (e que nos permita, por exemplo, sintetizar um supercondutor capaz de funcionar à temperatura ambiente).

       No entanto, um modelo de sucesso que é o mais frequentemente usado é a teoria BCS, que foi desenvolvida por John Bardeen, Leon Cooper e John Robert Schrieffer. Na teoria BCS, um papel-chave é desempenhado por dois pares de Cooper - elétrons ligados juntamente com spins opostos.

       Estes pares são caracterizados por uma ligação muito fraca entre as partículas, e por outro lado, eles não interagem com a estrutura do cristal e, portanto, movem-se livremente dentro de uma substância e não perdem energia em colisões.

       Se um metal é aquecido até uma temperatura em que o movimento térmico das partículas não impeça a formação de pares de Cooper, estes pares podem mover-se sem perda de energia e, assim, fazem com que todo o espécime alcance o estado supercondutor.

A formação de pares de Cooper altera não apenas as propriedades elétricas de uma substância, mas também a distribuição da energia dos elétrons, o espectro de energia. O acoplamento dos pares resulta num gap característico, ou pseudogap dependendo das circunstâncias. Se a substância for supercondutora, após o resfriamento até à temperatura crítica, a supercondutividade é alcançada e ao mesmo tempo ocorre a formação dos pares de Cooper, que é chamado de gap. No entanto, se isto ocorre no diagrama do espectro de elétrons, após o resfriamento, mas a supercondutividade ainda não tiver sido atingida, o termo pseudogap é usado (o que significa que não é uma diferença ‘verdadeira’, e a sua formação não está ligada ao aparecimento de supercondutividade).

       Se esta substância é resfriada ainda mais, ela passa ao estado supercondutor e o gap no espectro aumenta, seu valor inclui tanto o pseudogap como o próprio gap supercondutor. As propriedades destes supercondutores são consideravelmente diferentes daquelas exibidas pelos supercondutores convencionais.

Pseudogap em um espectro de energia real. Imagem: Benjamin Sacepe (Neel Institute, Grenoble, França)

Supercondutores com um gap normal são bem descritos pela teoria BCS, que conecta explicitamente os pares de Cooper com a formação do gap no diagrama de distribuição de energia. De acordo com esta teoria, a densidade de corrente supercondutora é diretamente proporcional à magnitude do gap supercondutor. Mais pares de Cooper são formados por unidade de volume quanto maior a diferença no espectro de energia, ou seja, o tamanho do gap.

       Supercondutores com um pseudogap não se encaixam na teoria BCS, mas eles podem ser descritos utilizando a teoria proposta anteriormente por Mikhail Feigel'man, Lev Ioffe e seus colegas. Neste novo trabalho, os cientistas usaram sua teoria para calcular a dependência da densidade de corrente em supercondutores com a largura do pseudogap.

A chave está em desordem

    O estudo, a nível microscópico, da estrutura dos supercondutores que exibem pseudogap mostrou que estes materiais são fortemente desordenados. Isto significa que os seus átomos não estão dispostos em uma estrutura cristalina, ou a estrutura desta rede é fortemente prejudicada. Exemplos de supercondutores que exibem pseudogap são filmes finos de nitreto de titânio (em que a estrutura do cristal é comprometida em muitos lugares) e óxido de índio (que pode ser completamente amorfo, como o vidro).

       A desordem desempenha um papel fundamental porque a transição para um estado supercondutor não ocorre ao mesmo tempo da formação dos pares de Cooper. Os elétrons que estão ligados uns aos outros nestes materiais aparecem depois que a resistência elétrica desaparece, porque inúmeras variações na estrutura microscópica da substância a partir da ordem ideal pode impedir um par de Cooper, o qual em cristais ordenados move-se livremente, sem interferências.

       Deve-se ressaltar que os pares de Cooper em um supercondutor que exibe pseudogap não podem ser descritos como imóveis. Como resultado de efeitos quânticos, o seu comportamento é um pouco mais complexo: obedecendo o princípio da incerteza, eles não congelam imóveis em um lugar, mas “espalham-se” sobre uma grande distância (dezenas de distâncias interatômicas), em uma região finita. Se eles pudessem se mover, esta região iria cobrir toda a substância.

       Deduzir parâmetros elétricos de supercondutores com pseudogap a partir de propriedades quânticas é importante tanto do ponto de vista fundamental (os cientistas estão começando a ter uma melhor compreensão geral dos supercondutores), como prático. Os investigadores observam que usando o óxido de índio, um supercondutor com pseudogap típico, é possível criar um dispositivo quântico supercondutor que pode ser utilizado como um protótipo para um computador quântico.

       Tendo em consideração o movimento de pares de Cooper em uma substância com variados graus de desordem, os cientistas deduziram a dependência da densidade teórica de pares de Cooper na substância com a largura do pseudogap. Esta é uma característica importante, como é inversamente proporcional à indutância do filme (os materiais descritos são obtidos na forma de filme) no estado supercondutor. Filmes como estes com alta indutância e resistência zero são necessários para produzir qubits, as unidades fundamentais de dispositivos de computação quântica.

       Em supercondutores convencionais, a dependência da densidade de pares de Cooper com a largura do pseudogap é linear, contudo, nas substâncias testadas a dependência é quadrática. Este fato é fácil de verificar experimentalmente em um estudo mais detalhado, e, se isso acontecer, a teoria desenvolvida anteriormente pelos autores receberá uma confirmação adicional.

Fonte1:https://mipt.ru/en/news/physicists_explain_the_unusual_behaviour_of_strongly_disordered_superconductors

Fonte2:http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.92.100509

Cientistas acabaram de ligar uma revolucionária máquina de fusão nuclear

       Cientistas da Alemanha alcançaram um marco importante na busca para obter energia a partir da fusão nuclear. Eles anunciaram que ligaram uma das maiores máquinas do seu tipo no mundo, e foram capazes de conter com êxito bolhas superquentes de gás hélio, também conhecido como plasma.

       A fusão nuclear tem potencial para ser uma fonte ilimitada, segura e barata de energia. No entanto, apesar de diversos esforços internacionais para transformá-la em realidade, a “promessa” se provou altamente dispendiosa de se alcançar.

       Agora, para coroar um trabalho que já dura nove anos, os físicos alemães disseram ter brevemente gerado o plasma esperado dentro de um ponto-chave no processo experimental.

       “Estamos muito satisfeitos”, disse Hans-Stephan Bosch do Instituto Max Planck de Física de Plasma. “Tudo correu conforme o planejado”.

O marco

       A fusão nuclear ocorre quando átomos se fundem em temperaturas incrivelmente altas (mais de 100 milhões de graus Celsius) e geram energia. Este é o mesmo processo que ocorre no nosso sol por bilhões de anos.

       A chave para controlar esse plasma quente é usar ímãs supercondutores. Em uma câmara de vácuo especial, os átomos, na forma de um gás ionizado quente, ficam flutuando. Os ímãs são responsáveis por manterem o plasma no lugar, para que não toquem os lados frios da câmara.

       O experimento alemão, usando uma máquina chamada Wendelstein 7-X, queria exatamente provar que esses conceitos eram possíveis.

       Os físicos aqueceram um miligrama de gás hélio com um laser de micro-ondas de 1,8 megawatt, contendo-o brevemente como plasma no interior do vácuo. A experiência durou um décimo de segundo e chegou a uma temperatura de cerca de um milhão de graus Celsius.

A corrida da fusão nuclear

       O próximo passo da equipe é tentar estender a duração do experimento e descobrir a melhor maneira de produzir o plasma.

       No próximo ano, os alemães esperam refazer o teste com hidrogênio, o alvo real do estudo, ao contrário de hélio.

       Vários países estão na corrida para construir um reator de fusão nuclear. Apesar disso, o Wendelstein 7-X não vai produzir energia. O objetivo final do experimento é apenas manter o plasma por 30 minutos, e encontrar provas de que sua tecnologia pode operar continuamente.

Fonte: http://hypescience.com/fisicos-alemaes-atingem-marco-na-busca-da-fusao-nuclear/

Pesquisadores descobrem uma nova dimensão na supercondutividade de alta temperatura (Researchers discover a new dimension to high-temperature superconductivity)

Nesta representação artística, um pulso magnético (direita) e de raios-X de luz laser (à esquerda) convergem para um supercondutor de alta temperatura para estudar o comportamento de seus elétrons. (SLAC National Accelerator Laboratory)

Pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA e do SLAC National Accelerator Laboratory combinando poderosos pulsos magnéticos com alguns dos mais brilhantes raios-x do planeta, descobriram um surpreendente arranjo 3-D de elétrons em um supercondutor de alta temperatura.

       Esta reviravolta inesperada é um marco importante na jornada de 30 anos para entender melhor como materiais supercondutores de alta temperatura conduzem eletricidade sem resistência a temperaturas centenas de graus centígrados acima dos supercondutores convencionais.

       O estudo também resolve uma aparente incompatibilidade em dados experimentais e traz um novo rumo para o completo mapeamento do comportamento dos elétrons sob diferentes condições nestes materiais exóticos. Os pesquisadores têm um objetivo final de ajudar na concepção e desenvolvimento de novos supercondutores que funcionam em temperaturas mais quentes.

Física “Totalmente inesperada”

“Isso foi totalmente inesperado, e também muito emocionante. Este experimento identificou um novo ingrediente a considerar neste campo de estudo. Ninguém tinha visto esta imagem 3-D antes”, disse Jun-Sik Lee, um cientista do SLAC e um dos líderes do experimento. “Este é um passo importante na compreensão da física dos supercondutores de alta temperatura”.

A nova onda de supercondutividade

O efeito 3-D que os cientistas observaram em um material supercondutor conhecido como YBCO (óxido de ítrio, bário e cobre), é um tipo recentemente descoberto de “onda densidade de carga” (charge density wave). Esta onda não tem o movimento de oscilação de uma onda de luz ou uma onda sonora; ela descreve um arranjo estático e ordenado de aglomerados de elétrons em um material supercondutor. Sua coexistência com a supercondutividade é desconcertante para os pesquisadores porque parece entrar em conflito com os pares de elétrons que se movem livremente que definem a supercondutividade.

       A versão 2-D dessa onda foi vista pela primeira vez em 2012 e tem sido estudada extensivamente. O recente experimento LCLS revelou uma versão separada 3-D que aparece mais forte do que a forma 2-D e intimamente ligada tanto ao comportamento 2-D como com a supercondutividade do material.

       O experimento levou vários anos para ser feito e exigiu a experiência internacional para preparar amostras especializadas e construir um poderoso ímã que produziu pulsos magnéticos compactados de milésimos de segundo. Cada pulso era 10-20 vezes mais forte do que aqueles em uma típica máquina de ressonância magnética.

A poderosa combinação de magnetismo e luz

Esses pulsos magnéticos curtos e intensos suprimiram a supercondutividade nas amostras de YBCO e forneceu uma visão mais clara dos efeitos da onda de densidade de carga. Eles foram imediatamente seguidos em intervalos precisamente cronometrados por pulsos de laser de raios-x, o que permitiu aos cientistas medir os efeitos de onda.

“Esta experiência é uma maneira completamente nova de usar o LCLS que abre a porta para uma nova classe de experimentos futuros”, disse Mike Dunne, diretor do LCLS.

       “Eu estava animado com este experimento há muito tempo”, disse Steven Kivelson, um professor de física da Universidade de Stanford que contribuiu para o estudo e tem pesquisado supercondutores de alta temperatura desde 1987.

       Kivelson disse que o experimento estabelece limites muito claros sobre a temperatura e a intensidade do campo magnético no qual o efeito 3-D recém-observado emerge. “Não há nada vago sobre isso”, disse ele. “Você agora pode fazer uma declaração definitiva: Neste material existe uma nova fase”.

       O experimento também acrescenta peso à evidência crescente de que ondas de densidade de carga e supercondutividade “podem ​​ser pensados como dois lados da mesma moeda”, acrescentou.

Em busca de links comuns

Mas também está claro que o YBCO é incrivelmente complexo, e um mapa mais completo de todas as suas propriedades é necessário para chegar a qualquer conclusão sobre o que mais importa para a sua supercondutividade, disse Simon Gerber e Hoyoung Jang, principais autores do estudo.

       Experimentos adicionais são necessários para fornecer uma visualização detalhada do efeito 3-D, e para saber se o efeito é universal em todos os tipos de supercondutores de alta temperatura, disse Wei-Sheng Lee, que contribuiu com o estudo. “As propriedades deste material são muito mais ricas do que pensávamos”, disse Lee. “Continuamos a fazer novas e surpreendentes observações à medida que desenvolvemos novas ferramentas experimentais”, acrescentou Zhu.

Fonte1: https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-11-05-researchers-discover-new-dimension-high-temperature-superconductivity.aspx

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/350/6263/949.abstract

A rota para a supercondutividade de alta temperatura passa pela superfície plana (The route to high temperature superconductivity goes through the flat land)

Pesquisadores descobriram que a supercondutividade é possível mesmo em um cristal onde a massa aparente dos elétrons é infinita. O cristal é descrito como a matriz ordenada de esferas laranja e verde (átomos) na figura. Elétrons com uma massa aparente infinita também são chamados de elétrons em bandas planas. A supercondutividade pode ocorrer se as ondas de elétrons centradas em torno dos átomos individuais, se distribuem amplamente de forma que se sobreponham significativamente. Em seguida, os elétrons saltam de um átomo para outro através da região de sobreposição, e é assegurado o fluxo da supercorrente. Notavelmente, uma invariante topológica das ondas de elétrons, semelhante à torção da banda de Mobius mostrada na figura, garante que existe sobreposição das ondas de elétrons. Crédito: Universidade Aalto, Antti Paraoanu.

Um problema importante em aberto em ciência dos materiais é compreender o mecanismo subjacente à supercondutividade, e em particular, ser capaz de prever com precisão a temperatura crítica abaixo da qual a transição supercondutora ocorre. De fato, não há atualmente teorias disponíveis que podem fornecer previsões precisas para a temperatura crítica dos materiais supercondutores mais úteis. Isso é lamentável, uma vez que uma boa compreensão do mecanismo da supercondutividade é essencial se estamos interessados ​​na síntese de materiais que podem um dia alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente, sem refrigeração.

Um avanço potencial foi recentemente apresentado por pesquisadores da Universidade Aalto. O estudo baseia-se na teoria do movimento eletrônico em cristais desenvolvida por Felix Bloch em 1928. É uma consequência interessante da mecânica quântica que um elétron que sente a carga elétrica de um conjunto ordenado de átomos (um cristal) pode mover-se livremente como se estivesse no espaço livre. No entanto, o cristal tem efeito não trivial modificando a massa aparente do elétron. Os elétrons parecem ser mais pesados ​​(ou mais leves) em um cristal do que no espaço livre, o que significa mais ou menos energia para empurrá-los e movê-los.

Este fato tem consequências muito importantes, pois os elétrons com massa aparente maior leva a temperaturas críticas maiores para a supercondutividade. O ideal para maximizar a temperatura crítica, é considerar os elétrons com massa aparente infinita ou, no jargão dos físicos, os elétrons em uma 'banda' plana. Ingenuamente poderíamos esperar que os elétrons com massa infinita seriam presos no lugar, incapaz de transportar qualquer corrente, e a propriedade essencial da supercondutividade seria perdida.

“Fiquei muito intrigado para descobrir como uma supercorrente, isto é, a corrente elétrica, pode ser transportada por elétrons em uma banda plana. Tivemos alguns indícios de que este fato é possível, mas não uma solução geral deste paradoxo”, diz Paivi Torma, professora de física da Universidade Aalto. Surpreendentemente no mundo da mecânica quântica, uma massa infinita não necessariamente impede o fluxo de corrente elétrica. A chave para este mistério é lembrar que os elétrons são objetos quânticos com ambos os recursos, onda e partícula. Os pesquisadores descobriram que a massa sozinha, que é uma propriedade de partículas, não é suficiente para caracterizar completamente elétrons em sólidos. Também precisamos de algo chamado de ‘métrica quântica’.

Uma métrica diz como as distâncias são medidas, por exemplo, a distância entre dois pontos é diferente em uma esfera do que sobre uma superfície plana. Acontece que a métrica quântica mede a propagação das ondas dos elétrons em um cristal. Essa propagação é uma propriedade tipo onda. Os elétrons com a mesma massa aparente, possivelmente infinita, podem ser associados com as ondas que são mais ou menos distribuídos no cristal, tal como medido pela métrica quântica. Quanto maior for a métrica quântica, maior a supercorrente que o supercondutor pode transportar. “Nossos resultados são muito positivos”, diz Sebastiano Peotta, “eles abrem uma nova via para engenharia de supercondutores com alta temperatura crítica. Se as nossas previsões estiverem corretas, o bom senso vai sofrer um grande golpe, mas eu estou bem com isso”.

Outra descoberta surpreendente é que a métrica quântica está intimamente relacionada a uma propriedade tipo onda ainda mais sutil dos elétrons, quantificada por um número inteiro chamado de número de Chern. O número de Chern é um exemplo de uma invariante topológica, ou seja, uma propriedade matemática de objetos que não é alterado sob uma  suave (não disruptiva) deformação arbitrária do próprio objeto. Um exemplo simples de uma invariante topológica é o número de voltas de uma fita. Em matemática, uma fita com uma única volta é chamada de banda de Mobius e é mostrada na figura. Uma volta pode ser movida para frente e para trás na fita, mas nunca removida a menos que a fita seja quebrada. O número de voltas é sempre um número inteiro.

Da mesma forma, o número de Chern só pode assumir valores inteiros e não podem ser mudados a não ser que uma alteração drástica ocorra sobre as ondas de elétrons. Se o número de Chern for diferente de zero, não é possível ‘desatar’ as ondas de elétrons centradas em átomos vizinhos do material. Como consequência, as ondas têm de se sobrepor, e é esta sobreposição finita que garante a supercondutividade, mesmo em uma banda plana. Os pesquisadores descobriram uma ligação inesperada entre supercondutividade e topologia.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-11/au-trt112015.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2015/151120/ncomms9944/full/ncomms9944.html

Desvendando complexas fases eletrônicas em um supercondutor (Unraveling the complex, intertwined electron phases in a superconductor)

Representação da onda de densidade de carga. Este padrão de halteres, cada uma representando o orbital em um átomo de oxigênio, pode parecer estático, mas se você olhar de perto, você verá que as cores dos orbitais mudam quando você se move da esquerda para a direita. Esta mudança de cor (amarelo, branco, azul, branco, amarelo, branco, azul ...) representa mudanças na densidade de carga (alto, médio, baixo, médio, alto, médio, baixo ...) que se move através do plano da esquerda para a direita. Crédito: Laboratório Nacional de Brookhaven

Uma equipe liderada por pesquisadores do Brookhaven National Laboratory e da Universidade de Cornell nos EUA identificou um arranjo chave de elétrons em um supercondutor de alta temperatura. O material é um membro da família dos cupratos, compostos supercondutores à base de cobre e oxigênio que são os principais candidatos para inúmeras aplicações de alto impacto.

O fenômeno que eles estudaram é conhecido como uma onda de densidade de elétrons. Ao contrário de outros elétrons no material que se movem livremente, a onda de densidade de elétrons é uma fase periódica, fixa que parece competir com e dificultar a fase supercondutora. Muitos pesquisadores acreditam que a onda de densidade é a chave para desvendar os cupratos: se eles compreenderem completamente a onda de densidade de elétrons, então podem ser capazes de determinar como suprimi-la ou removê-la para induzir a supercondutividade, possivelmente, até mesmo à temperatura ambiente. Mas, para atingir esse objetivo, eles devem primeiro obter uma compreensão completa das causas da onda de densidade de elétrons.

Este estudo é o primeiro a identificar as origens em escala atômica e influências que produzem a onda de densidade em cupratos. “Em um metal, você tem elétrons que vão em todas as direções, com uma vasta gama de energias e momentos. É quase como um gás de elétrons”, disse o cientista chefe do estudo, Séamus Davis, um de físico Brookhaven. “Qual desses elétrons fornecem os componentes que compõem o estado onda de densidade em cupratos? Fomos capazes de responder a esta pergunta. Nós identificamos tanto a energia e momentos dos elétrons relevantes”.

Outra peça do quebra-cabeça

Existem diversos membros conhecidos da família dos cupratos. O ‘melhor’ descoberto até agora funciona como um supercondutor a cerca de 140 K (-130 °C), aproximadamente a meio caminho entre o zero absoluto (-273 °C) e a temperatura ambiente (21 °C). Todos têm estruturas em camadas, com a supercondutividade ocorrendo nas camadas de óxido de cobre (CuO₂), cada uma com apenas uma molécula de espessura. Além da fase supercondutora, estes materiais apresentam uma outra forma misteriosa de ordem eletrônica, chamada de “pseudogap”. Embora muito mal compreendida, em geral, a sua escala de energia característica, chamada de gap de energia, está bem estabelecida. O grupo do professor Davis e outros estudaram esta fase extensivamente.

No ano passado, juntamente com outros pesquisadores, a equipe estabeleceu a primeira ligação entre o desaparecimento da onda de densidade na fase pseudogap e a emergência, como afirma Davis, de “elétrons universalmente livres necessários para a supercondutividade irrestrita”.

Em trabalho mais recente, o resultado mais importante parece sugerir uma outra ligação íntima entre a onda de densidade de elétrons e a fase pseudogap: a energia característica de modulação da onda de densidade é igual à energia do pseudogap. Além disso, eles mostraram que os elétrons que compõem a onda de densidade de elétrons têm a característica dinâmica na qual o pseudogap aparece. A implicação fundamental é que o estado de pseudogap é de alguma forma o ‘pai’ do estado de onda de densidade.

Imagem de elétrons com elétrons

A nova abordagem experimental e o conceito do estudo em si foram concebidos depois de um dos autores do estudo, o físico teórico Subir Sachdev, considerar o comportamento da onda de densidade de elétrons diferente ao longo das diferentes ligações na célula unitária de CuO₂.

“Ao olhar para alguns dos dados anteriores obtidos pelo grupo de Davis, notei que o comportamento dos elétrons era exclusivo para as ligações horizontais no plano CuO₂”, disse ele. “Eu me perguntei se isso poderia ser a onda de densidade de carga”.

Ele contatou Davis e eles começaram a projetar o experimento. Eles propuseram uma nova maneira de estudar um cuprato, que nenhum outro grupo havia tentado: uma potente técnica de imagem desenvolvida por Davis, chamada de imagem de sub-rede, é feita utilizando um microscópio de varredura por tunelamento (STM) capaz de determinar a estrutura eletrônica em diferentes subconjuntos de átomos no cristal, as chamadas sub-redes.

Um STM fotografa uma amostra usando elétrons; o tipo usado aqui pode ‘ver’ detalhes menores do que a célula unitária do cristal CuO₂. Ele usa uma ponta metálica muito afiada, colocada extremamente perto da superfície da amostra, menos de um décimo de nanômetro de distância. Uma pequena voltagem é então aplicada através da ponta e da amostra, o que, por causa da sua proximidade, permite o tunelamento de elétrons através do espaço de vácuo entre a ponta e a amostra. A taxa de elétrons que passa através da ponta, ou em outras palavras, a corrente é uma medida da densidade de elétrons na fina região da amostra diretamente abaixo dela. Então, quando a ponta é passada através da superfície de amostra, cria-se uma imagem espacial da densidade de elétrons e, em separado, da rede cristalina.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-unraveling-complex-intertwined-electron-phases.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3519.html

O supercondutor que funciona na temperatura da Terra (The Superconductor That Works at Earth Temperature)

Pesquisadores descobriram um material que superconduz numa temperatura significativamente mais quente do que o ambiente mais frio da terra. Isso deve inaugurar uma nova era de pesquisa em supercondutividade.

       No ano passado, Mikhail Eremets e colaboradores fizeram uma afirmação extraordinária que o sulfeto de hidrogênio (H₂S) superconduz à temperatura de -70 °C. Isso é cerca de 20 graus mais quente do que qualquer outro material já descoberto. Na época, os físicos foram cautelosos sobre o trabalho. A história da supercondutividade está repleta de afirmações dúbias de atividade de alta temperatura que mais tarde acabam por ser impossível de reproduzir. Nos meses seguintes, Eremets e colaboradores trabalharam duro para reunir as peças finais de provas conclusivas.

Existem essencialmente três características que os físicos procuram como prova de que um material é um supercondutor convencional. A primeira é uma súbita queda na resistência elétrica, quando o material é arrefecido abaixo de sua temperatura crítica. A segunda é a expulsão dos campos magnéticos de dentro do material, um fenômeno conhecido como efeito Meissner. A terceira é uma mudança na temperatura crítica quando átomos do material são substituídos por isótopos. Isso porque a diferença de massa isotópica faz com que a estrutura vibre de forma diferente, o que muda a temperatura crítica.

       Mas há outro tipo de supercondutividade que é muito menos compreendida. Trata-se de certas cerâmicas descobertas na década de 1980 que superconduzem à temperaturas de cerca de -110 °C, denominadas high-T_C (alta temperatura crítica). Ninguém sabe exatamente como isso funciona, mas grande parte da pesquisa científica atual em supercondutividade tem incidido sobre estes materiais exóticos.

       Os trabalhos de Eremets e colaboradores talvez mudem isso. A maior surpresa sobre sua descoberta é que ela não envolve um supercondutor de alta temperatura. Em vez disso, o H₂S é um supercondutor convencional do tipo que nunca tinha sido visto trabalhando a temperaturas superiores a 40 K. Eremets e sua equipe submeteram o material a pressões extremamente elevadas, equivalentes àquelas do centro da Terra. Ao mesmo tempo, eles conseguiram encontrar evidências de todas as características importantes da supercondutividade.

       Enquanto o trabalho experimental avança, os teóricos coçam a cabeça para explicar isso. Muitos físicos acreditavam que havia alguma razão teórica para supercondutores convencionais não funcionarem acima de 40 K. Mas, na verdade, não há nada na teoria que impede a supercondutividade a temperaturas mais elevadas.

       De fato, na década de 1960, o físico britânico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio seria supercondutor a altas temperaturas em pressões elevadas, talvez até mesmo à temperatura ambiente. Sua ideia era que o hidrogênio é tão leve que deve constituir uma estrutura capaz de vibrar em frequências muito elevadas e, portanto, de supercondutores a altas temperaturas e altas pressões.

       A descoberta de Eremets parece ser uma demonstração dessa ideia. Ou, pelo menos, algo parecido. Existem numerosos aspectos teóricos que precisam ser resolvidos antes de os físicos afirmarem que possuem uma compreensão adequada do que está acontecendo. Este trabalho teórico está em curso.

       Agora, a corrida é para encontrar outros supercondutores que funcionem a temperaturas ainda mais elevadas. Um candidato promissor é o H₃S. E, claro, os físicos estão começando a pensar sobre as aplicações. Existem inúmeros desafios na exploração deste material, não menos importante, porque ele existe em forma supercondutora apenas em pequenas amostras dentro de bigornas em alta pressão. Mas isso não impediu as especulações. “Esta descoberta é relevante não só na ciência dos materiais e matéria condensada, mas também em outras áreas que vão desde computação quântica à física quântica da matéria viva”, dizem Bianconi e Jarlborg.

Fonte1: http://www.technologyreview.com/view/542856/the-superconductor-that-works-at-earth-temperature/

Fonte2: arxiv.org/abs/1510.05264

O que são essas nanoestrelas em supercondutores bidimensionais? (What are these nanostars in 2D-superconductor supposed to mean?)

Físicos da França e da Rússia descobriram perturbações magnéticas que se assemelham a pequenas estrelas oscilantes em supercondutores bidimensionais (2D). Estas excitações eletrônicas tipo estrelas estão localizadas em torno de átomos magnéticos individuais dentro do material supercondutor. Essa observação experimental, feita por meio de espectroscopia de tunelamento a apenas 0,3 graus acima do zero absoluto, é a confirmação direta da famosa teoria Yu-Shiba-Rusinov, que previu esses estados magnéticos quanticamente ligados.

       Os pesquisadores verificaram que nos sistemas bidimensionais, as excitações magnéticas se distribuem por longas distâncias quando comparados com materiais supercondutores tridimensionais comuns. Essa descoberta abre uma rota para a geração de estados quânticos mais complexos a partir de correntes ou grupos de átomos magnéticos em supercondutores, e que são topologicamente protegidos contra decoerência. A construção e manipulação de tais estados é um passo crucial para os computadores quânticos.

Os pesquisadores estudaram o surgimento dos estados ligados de Yu-Shiba-Rusinov (YSR) em torno dos átomos magnéticos individuais inseridos em um supercondutor bidimensional. Os estados YSR foram teoricamente previstos na década de 1960, mas pouca evidência experimental tinha sido obtida até o momento. Os pesquisadores verificaram que em sistemas de duas dimensões, as excitações magnéticas se estendem por uma distância maior em comparação com os supercondutores comuns (tridimensionais), e os emergentes estados quânticos YSR são mais estáveis, o que os tornam mais adequados para uma nova geração de eletrônica quântica.

       Uma estrutura em camadas do supercondutor disseleneto de nióbio (NbSe₂) foi utilizada nos testes. Com um microscópio de tunelamento, os pesquisadores foram capazes de observar pela primeira vez o estado YSR ao redor dos átomos individuais de ferro. “Demonstrou-se que o uso de supercondutores bidimensionais no lugar dos tridimensionais resulta em um aumento na extensão espacial dos estados YSR para várias dezenas de nanômetros, isto é, dez vezes mais. E a área de excitação exibe a forma de uma ‘estrela’ seis vezes maior com seus raios se estendendo ao longo do eixo da estrutura do cristal de disseleneto de nióbio. As ‘estrelas’ observadas são mais estáveis ​​e mais adequadas para a criação de novos estados topologicamente protegidos”, diz Vasily Stolyarov, um dos principais pesquisadores responsáveis pela descoberta.

       Os estados Yu-Shiba-Rusinov foram previstos independentemente na década de 1960 por três físicos da China, URSS, Japão. Eles sugeriram que os átomos magnéticos introduzidos em um supercondutor devem criar estados especiais de excitação em torno de si. Os cálculos mostram que áreas de condutividade topológica podem se formar em torno desses estados, onde a corrente flui somente em uma direção. Até recentemente, porém, não tinha sido possível confirmar esta previsão experimentalmente.

       Nos últimos 20 anos, os cientistas vêm tentando criar sistemas quânticos que irão superar computadores baseados em semicondutores tradicionais, nos quais o potencial de desenvolvimento está praticamente esgotado. Certo número de potenciais sistemas candidatos para construir o computador quântico está sendo investigado. O principal problema impedindo o desenvolvimento desses computadores é a alta sensibilidade do mundo nanométrico a influências externas que destroem os estados quânticos. Uma opção promissora é a utilização de estados eletrônicos topologicamente protegidos que são resistentes à decoerência. Ânions não-Abelianos podem ser perfeitos para isso; eles não são íons negativos, mas sim excitações especiais em sistemas quânticos bidimensionais num campo magnético.

       A teoria prevê que tais ânions não-Abelianos podem ocorrer em um ‘líquido’ bidimensional de elétrons em um supercondutor sob a influência de um campo magnético local. O líquido de elétrons torna-se assim degenerado, ou seja, os elétrons podem ter diferentes estados no mesmo nível de energia. A superposição de vários ânions não pode ser afetada sem movê-los; portanto, eles são completamente protegidos contra perturbações.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-nanostars-2d-superconductor.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3508.html