Dispositivo de memória híbrida para computador supercondutor (Hybrid memory device for superconducting computing)

        Uma equipe de cientistas do NIST desenvolveu e demonstrou uma nova tecnologia de memória em nanoescala para computadores que usam supercondutores que poderia acelerar o advento de uma tão aguardada alternativa de baixo consumo de energia para data centers convencionais.

        Nos últimos anos, a gigantesca crescente demanda de dados de computação em nuvem, o uso da Internet, suporte a dispositivos móveis e outras aplicações, levaram a criação de recursos de computação centralizada em centenas de milhares de sites em todo o mundo.

        Essas instalações funcionam 24 horas por dia e empregam matrizes de servidores baseados em semicondutores que exigem quantidades substanciais de energia elétrica e geram grande quantidade de calor - que por sua vez exige ainda mais energia para remover.
        Mesmo que as necessidades de energia para todos os centros de dados norte-americanos sejam satisfeitas, as limitações inerentes dos semicondutores define o limite para a futura capacidade de processamento onde o volume de informação digital aumenta exponencialmente.

Uma tecnologia promissora é a computação que utiliza supercondutores, a qual oferece a perspectiva de trnasportar informações sem perdas através de canais de resistência zero. Em vez de usar transistores semicondutores para comutar sinais eletrônicos, estes sistemas usam componentes minúsculas chamadas junções Josephson (JJ). Estes operam perto do zero absoluto (de 4 K a 10 K), dissipam quantidades minúsculas de energia (menos de 10^-19 joule por operação), e pode ser alternado entre os estados em centenas de bilhões de vezes por segundo (freqüências de gigahertz), em comparação com poucos gigahertz de computadores que utilizam semicondutores.

Até o momento, muitas tecnologias-chave como circuitos lógicos, interconexões de componentes e memória criogênica, necessárias para um computador que use supercondutores, ainda não foram desenvolvidas. Mas o Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA) determinou que, graças ao recente progresso da pesquisa, as ‘bases para um grande avanço’ estão agora em vigor, e lançou um programa para investigar a viabilidade prática da computação que usa supercondutores.

Cientistas do NIST foram contratados para desenvolver as metrologias e avaliação dos métodos necessários para o programa IARPA. Mas, muito antes do início do programa um dos obstáculos mais difíceis para a computação que usa supercondutores já vinha sendo focado: a falta de um sistema de memória que pode trabalhar na temperatura criogênica e a uma velocidade impressionante dos interruptores JJ enquanto também requer energia operacional mínima.

Um módulo de memória da equipe do NIST é uma junção Josephson modificada com dimensões na escala de 100 nanômetros. Entre os dois eletrodos da junção supercondutora, os cientistas fabricaram uma barreira de multi-camada que consiste em dois materiais magnéticos diferentes, separados por um metal não magnético.

A relação entre as polaridades das duas camadas magnéticas - que podem ser alinhadas paralela ou anti-paralelamente - determina a magnitude da supercorrente na junção Josephson, e pode ser igual ou diferente de zero da tensão através da junção. Esse efeito é baseado na competição intrincada entre supercondutividade e magnetismo que foi inequivocamente demonstrada no trabalho da equipe do NIST. Esses dois estados de corrente ou tensão pode representar 0 ou 1 - valores binários para memória do computador supercondutor. O tamanho do dispositivo pode ser reduzido, como será necessário para alta capacidade de memória, sem perder a capacidade de diferenciar o estado.

As propriedades magnéticas da barreira podem ser controladas apenas através de correntes elétricas em vez do campo magnético. Isto é conseguido através de um processo chamado de transferência de torque de spin: uma corrente normal, com uma distribuição uniforme de spin, passa através da camada magnética fixa, que atua como um filtro de tal modo que os elétrons que emergem são polarizados por rotação. O momento angular associado a esse estado de spin é então transferido para a camada livre, mudando o seu alinhamento magnético. O processo é reversível. Este efeito tem sido amplamente estudado para memórias magnéticas à temperatura ambiente, mas geralmente para memórias baseadas na mudança de resistência (magnetorresistência).

Ambas operações, ler e escrever, são escaláveis ​​para nanodispositivos. Ler pode ser realizada por sondagem ad força da supercondutividade com uma energia minúscula. A energia de gravação pode ser melhorada com a engenharia do material magnético e redução do tamanho do dispositivo; o limite final é dado pela energia magnética que também é minúscula. Combinado com nonvolatility (sem necessidade de refrigeração) e velocidade, este híbrido supercondutor-magnético promete uma tecnologia alternativa para memórias de semicondutores.

Outros grupos têm desenvolvido dispositivos híbridos supercondutores-magnéticos de vários tipos. Mas o módulo do NIST é o primeiro a utilizar efeitos spintrônicos, que são particularmente difíceis de caracterizar em nanoescala. O híbrido do NIST pode ser facilmente integrado com os sistemas supercondutores, e os pesquisadores estão analisando os comportamentos de diferentes configurações e materiais de barreira sob várias condições para o uso na memória e outras funções.

“A combinação de baixa perda de lógica supercondutora não volátil, a memória magnética híbrida pode revolucionar a computação e armazenamento de dados dentro de uma década”, diz Ron Goldfarb, líder do Magnetics Group e membro de apoio da equipe do NIST. “O recente trabalho do NIST demonstrando comutação spintrônica de dispositivos híbridos de memória magnética-supercondutora foi uma prova vital de princípio. Outros grupos estão trabalhando em diferentes implementações. Devido à sua experiência de medição e imparcialidade, a NIST será responsável por testes para IARPA”.

Olhando para o futuro, Goldfarb diz: “O desenvolvimento de novos tipos de processadores de computador para além dos limites dos semicondutores é uma área emergente de pesquisa interdisciplinar. Isso inclui novos tipos de lógica computacional, memória principal, memória de cache e de armazenamento em massa para supercomputadores, processadores de imagem e centros de dados. A partir de uma perspectiva de medidas, há uma necessidade de testar o protótipo e aferir a confiabilidade, reprodutibilidade, dissipação de energia e desempenho de alta velocidade desses componentes, dispositivos, circuitos, e os seus materiais constituintes”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-hybrid-memory-device-superconducting.html

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/140528/ncomms4888/full/ncomms4888.html

Cabos supercondutores impressos são mais baratos

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/02/2015

Depois de ‘impressas’, as fitas supercondutoras são recobertas com várias camadas isolantes para proteção. [Imagem: Eurotapes/Divulgação]

Os cabos supercondutores já estão batendo recordes de corrente elétrica há algum tempo. Mas eles ainda são enormes e caros, em grande parte porque são difíceis de fabricar, baseados em materiais quebradiços.

        A solução está vindo na forma de fitas supercondutoras, que podem ser fabricadas por uma técnica de baixo custo e montadas umas sobre as outras ou torcidas para formar cabos flexíveis.

        “É um avanço real produzir supercondutores com esta técnica, já que seus custos de produção serão muito menores do que com os métodos existentes,” disse Xavier Obradors, do Instituto de Ciências dos Materiais da Espanha, coordenador do projeto Eurotapes, financiado pela União Europeia.

A equipe desenvolveu duas técnicas para fabricar as fitas supercondutoras. A primeira é baseada em um processo de deposição química. A segunda usa misturas nas quais são diluídos nanocompósitos com dimensões entre 1 e 100 nanômetros. Essa mistura é aplicada como se fosse uma tinta, em um processo adaptado da impressão a jato de tinta.

        Obradors afirma que as fitas supercondutoras, flexíveis e de baixo custo, poderão tornar as turbinas eólicas duas vezes mais eficientes ao permitir a substituição dos cabos de cobre usados hoje em seus geradores.

        A equipe espera também que seus ‘cabos impressos’ sejam utilizados no projeto de reatores de fusão nuclear e na fabricação de equipamentos mais eficientes e menores de ressonância magnética.

        Mas há várias outras possibilidades de uso, às quais a equipe pretende se dedicar na fase final do projeto, voltada à identificação de aplicações tecnológicas. Esta fase deverá durar até Fevereiro de 2017.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cabos-supercondutores-impressos&id=010115150225#.VO29uC5wv8I

Pesquisadores traçam últimas descobertas de supercondutores à base de ferro (Scientists in China and US chart latest discoveries of iron-based superconductors)

Estrutura cristalina de diversos tipos de supercondutores à base de ferro. A = metal alcalino; Ae = alcalino terroso; Ln = lantanídeo; M = metal de transição

Em um artigo publicado no National Science Review, cientistas comentam as recentes descobertas acerca dos supercondutores à base de ferro (pnictídeos) que possuem elevadas temperaturas de transição (T_C). Eles apresentam uma visão geral das propriedades físicas, descrevem a dependência da temperatura de transição com a estrutura cristalina, a interação entre antiferromagnetismo e supercondutividade, e suas propriedades eletrônicas obtidas por espectroscopia de foto-emissão com resolução angular.

        “Tem sido um sonho obter supercondutores de alta-T_C ou à temperatura ambiente, o que pode revolucionar a transmissão de energia no mundo”, explicam os pesquisadores. Um impulso para acelerar esta pesquisa foi desencadeado pela descoberta, há quase duas décadas, de um cuprato supercondutor de alta T_C. A segunda classe de materiais de alta T_C são os supercondutores à base de ferro (pnictídeos), descobertos inicialmente em 2008. A maior T_C destes sistemas é 55 K para o SmO_1-XF_xFeAs.

        Até agora foram descobertas muitas famílias de pnictídeos supercondutores. “Estudar suas propriedades tem sido uma das principais atividades em física da matéria condensada nos últimos anos”, afirmam os autores do estudo.

        Várias técnicas novas e poderosas como espectroscopia de foto-emissão com resolução angular, microscopia de tunelamento, difração de nêutrons, ressonância magnética nuclear etc. foram aplicadas para examinar as propriedades dos novos compostos.

        Os pnictídeos possuem muitas características em comum com os cupratos. Ambos são supercondutores não convencionais no sentido de que fônons não desempenham papel dominante na supercondutividade. Ambos são quase-2D, e sua supercondutividade está na proximidade do antiferromagnetismo. Nos cupratos, a física de baixa energia é descrita por uma única banda, enquanto nos pnictídeos, existem múltiplos orbitais envolvidos. No entanto, alguns aspectos dos cupratos permanecem controversos. Aprofundar o conhecimento dos pnictídeos pode ampliar a compreensão da supercondutividade não convencional e fornecer uma nova rota para encontrar supercondutores a temperaturas mais elevadas. Mapeando avanços recentes, os autores descrevem a estrutura cristalina, a interação entre magnetismo e supercondutividade e a estrutura eletrônica de pnictídeos. No artigo, também são revisadas teorias vigentes sobre a supercondutividade.

Pnictídeos supercondutores estão próximos do antiferromagnetismo (AF), o que sugere que as flutuações de AF são responsáveis ​​pela supercondutividade. Investigar o mecanismo da supercondutividade deve priorizar, em parte, a causa do emparelhamento de elétrons. A descrição teórica da supercondutividade em cupratos e pnictídeos continua a ser um grande desafio. Pnictídeos são materiais multi-banda. Todos os cinco orbitais 3d do Fe hibridizam fortemente com os orbitais 4p do Se e têm contribuição de elétrons condutores itinerantes e localizados.

        Cientistas ainda estão tentando desenvolver uma imagem física clara com ferramentas teóricas confiáveis ​​para tratar um sistema eletrônico com forte acoplamento entre elétrons itinerantes e localizados. É igualmente importante conceber medidas experimentais que poderiam resolver uma série de problemas-chave, que por sua vez poderiam testar teorias sobre a supercondutividade em pnictídeos. Segundo os pesquisadores, “os progressos alcançados nos estudos do mecanismo da supercondutividade em pnictídeos poderiam ter um forte impacto sobre a teoria de sistemas quânticos fortemente correlacionados”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-scientists-china-latest-discoveries-iron-based.html

Fonte2: http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2014/07/03/nsr.nwu007.full

Pesquisadores observam pela primeira vez o análogo do bóson de Higgs em supercondutores (Researchers first to observe Higgs boson analogue in superconductors)

Um gráfico mostra traços de partículas fruto de uma colisão próton-próton no Large Hadron Collider, em 2012. O evento mostra características esperadas do Modelo Padrão para o decaimento do bóson de Higgs em um par de fótons. Uma análise mais aprofundada de colisões feitas em 2011 e 2012 encontrou evidências de que o Higgs também decai em férmions, de acordo com um novo estudo publicado na revista Nature Physics. Crédito: CERN

Uma equipe de pesquisadores liderada por físicos israelenses e alemães afirmam ter observado pela primeira vez evidências do bóson de Higgs em materiais supercondutores.

        Ao contrário das megacaras instalações do CERN - 4,75 bilhões de dólares - estes resultados, apresentados na Nature Physics, foram obtidos através de experimentos realizados em um laboratório regular de custo relativamente baixo.

        “Assim como os experimentos do CERN revelaram a existência do bóson de Higgs em um acelerador de alta energia, temos revelado agora um análogo do bóson de Higgs em supercondutores”, diz o Prof. Aviad Frydman, membro do Departamento de Física da Universidade Bar-Ilan, que dirigiu o estudo em conjunto com o Prof. Martin Dressel, da Universidade de Stuttgart, como parte de uma colaboração internacional que incluiu também outras equipes de Israel, Índia e Estados Unidos.

        Frydman explica que a nova descoberta traz a busca pelo bóson de Higgs de volta à sua fonte. “Ironicamente, enquanto a discussão sobre o ‘elo perdido’ do Modelo Padrão foi inspirada pela teoria dos supercondutores, o modo de Higgs nunca foi observado em supercondutores devido a dificuldades técnicas. Dificuldades que nós conseguimos superar”.

        Frydman e seus colegas descrevem um novo método para a realização dos experimentos: “A alta energia necessária para excitar um modo de Higgs em supercondutores tende a quebrar os pares de elétrons que são as cargas básicas do material. Isso leva a um rápido decaimento em pares partícula-buraco, e suprime a natureza supercondutora do material. Nós resolvemos esse problema usando filmes supercondutores ultrafinos desordenados de nitrito de nióbio (NbN) e óxido de índio (InO) próximo ao ponto crítico supercondutor-isolante - um estado em que a teoria recente prevê que um rápido decaimento de Higgs deixaria de ocorrer. Isso criou as condições para excitar um modo de Higgs a energias relativamente baixas”.

Peter Ware Higgs

(1929 - )

        De acordo com Frydman, a observação do mecanismo de Higgs em supercondutores é significativa porque revela como um único tipo de processo físico se comporta sob condições de energia drasticamente diferentes. “Excitar o modo de Higgs em um acelerador de partículas exige níveis de energia enormes - medido em giga elétrons-volt”, diz Frydman. “Em supercondutores, o fenômeno ocorre em uma escala de energia completamente diferente - apenas um milésimo de um único elétron-volt. Interessante é ver como, mesmo nesses sistemas altamente díspares, a mesma física fundamental está em ação”.

        A natureza robusta do modo de Higgs recém-observado em supercondutores poderia tornar mais fácil para os cientistas estudar a ainda controversa "partícula de Deus" - o evasivo ‘elo perdido’ na teoria padrão da física de partículas que é responsável por conferir massa a toda matéria no universo. Graças a esta nova abordagem, em breve será possível resolver os mistérios de longa data da física fundamental, através de experimentos realizados - não em um complexo de aceleradores de bilhões de dólares - mas em uma mesa de laboratório.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-higgs-boson-analogue-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3227.html

Encontrada a “impressão digital” dos supercondutores de alta temperatura (High-temperature superconductor 'fingerprint' found)

“Impressão digital” distinguindo flutuações de spin antiferromagnéticas de flutuações de fônons no LiFeAs. Fonte: http://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1402/1402.3714.pdf

Pesquisadores podem ter encontrado a resposta para um grande desafio em física da matéria condensada: identificar o porquê ocorre a supercondutividade ‘não convencional’. Eles isolaram uma “impressão digital” que identifica flutuações específicas que força os elétrons em pares, tornando o material um supercondutor de alta temperatura.

       A supercondutividade supera a repulsão que ocorre naturalmente entre os elétrons, quantificada pela lei de Coulomb, que normalmente impede seu emparelhamento. Em supercondutores ‘convencionais’, isto é, metais que permitem que os elétrons fluam sem resistência a temperaturas muito próximas do zero absoluto, há bom entendimento do por que acontece a supercondutividade. Nesse caso, o emparelhamento de elétrons é dirigido pela troca de vibrações na estrutura cristalina do material, que se tornam suficientemente fortes para superar a repulsão de Coulomb. Esse mecanismo só funciona em temperaturas extremamente frias em que os elétrons se movem muito lentamente.

       Cerca de três décadas atrás, os físicos começaram a estudar os supercondutores ‘não convencionais’, que 'superconduzem' a temperaturas 100 vezes maior. Isso ainda não é próximo da temperatura ambiente de nenhum lugar, mas o mecanismo do por que isso acontece a tais temperaturas relativamente elevadas é um mistério de longa data, e com profundas implicações para a física quântica.

       Em artigo na Nature Physics, o princípio geralmente aceito que a equipe provou é que pequenos jiggles (‘sacudidas’) de padrões de spin dos elétrons, chamados de flutuações de spin, são o que fazem com que os elétrons formem pares. Nestes supercondutores não convencionais, os elétrons tendem a formar antiferromagnetos, o que significa que os elétrons, visualizadas como pequenos ímãs, tendem a alinhar os polos opostos. Esta tendência, anterior ao início do ordenamento antiferromagnético, provoca jiggles dos spins, com o sistema inteiro querendo formar um padrão fixo.

       O fato dessas flutuações de spin poder fornecer emparelhamento de elétrons foi suspeitado muitas vezes, mas provar tem sido um grande desafio, explicou Eun-Ah Kim, professora de física.

“Os métodos usados para metais simples como o alumínio não servem para os supercondutores de altas temperaturas”, disse ela. Isto é particularmente verdadeiro para uma nova classe de supercondutores convencionais à base de ferro, porque estes materiais são os chamados sistemas de banda múltipla. Isso significa que os elétrons com uma determinada energia pode ter vários valores diferentes do momentum com velocidades radicalmente diferentes.

       A equipe de Kim descobriu como medir a mudança nas energias dos elétrons em momentums particulares no sistema de multibanda devido à influência das flutuações de spin, baseando-se em princípios como a conservação do momentum e da energia - o mesmo princípio que se aplica para as trajetórias de colisão de bolas de bilhar.

       Através de cálculos, eles diferenciaram com êxito a ‘impressão digital’ de flutuações de spin, que é distinta da impressão digital de vibrações da rede que iria se manifestar em uma medição de energia-momentum. A equipe empregou uma técnica de medição de energia-momentum chamada quasiparticle interference imaging, iniciada pelo grupo do professor Seamus Davis, para confirmar a impressão digital das flutuações de spin em supercondutores de arsênico ferro-lítio.

       “A abordagem que adotamos pode levar a aplicações mais amplas e formas de confirmar a ideia”, diz Kim. “O conceito de flutuações antiferromagnéticas mediadoras da supercondutividade não pode ser provada rigorosamente teoricamente; é um desafio que exige experiência e teoria trabalhando juntos”.

Fonte1: http://news.cornell.edu/stories/2015/01/high-temperature-superconductor-fingerprint-found

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v11/n2/full/nphys3187.html

Eletroímãs supercondutores do LHC: grandes desafios da engenharia (Superconducting electromagnets of the LHC)

Foto: Maximilien Brice, CERN

A maioria das pessoas está familiarizada com ímãs, mas podem não saber que estes são parte integrante de quase todos os modernos aceleradores de partículas. Esses ímãs não são o mesmo que você põe na geladeira. Embora tenham um polo norte e sul, assim como seus ímãs fazem, ímãs de acelerador exigem um pouco de engenharia.

     Quando uma partícula carregada eletricamente, como um próton, se move através de um campo magnético constante, descreve um percurso circular. O tamanho do círculo depende da força dos magnetos e da energia do feixe. Aumentar a energia, o anel se torna maior; aumentar a força dos ímãs, o anel fica menor.

     O Large Hadron Collider é um acelerador, uma palavra crucial que nos lembra que podemos usá-lo para aumentar a energia das partículas do feixe. Se a força dos ímãs permanecer a mesma, então quando aumentarmos a energia do feixe, o tamanho do anel terá que aumentar. Uma vez que o tamanho do anel permanece necessariamente o mesmo, é preciso aumentar a força dos ímãs quando a energia do feixe é aumentada. Por essa razão, os aceleradores de partículas usam um tipo especial de ímã.

     Quando uma corrente elétrica passa através de um fio, ela cria um campo magnético; a intensidade do campo magnético é proporcional à quantidade de corrente elétrica. Ímãs criados dessa forma são chamados de eletroímãs. Ao controlar a quantidade de corrente, podemos fazer eletroímãs de qualquer força que queremos. Podemos até mesmo inverter a polaridade do ímã, invertendo a direção da corrente.

     Dada a ligação entre corrente elétrica e campo magnético, é claro que precisamos de grandes correntes em nossos ímãs aceleradores. Para conseguir isso, usamos os supercondutores, materiais que perdem sua resistência à corrente elétrica quando são arrefecidos o suficiente. E ‘resfriar’ é um eufemismo. Em 1,9 Kelvin, os centros dos ímãs do LHC são um dos lugares mais frios do universo – mais frio do que a temperatura do espaço entre as galáxias.

     Dado o papel central dos ímãs em aceleradores modernos, os cientistas e engenheiros do Fermilab e CERN estão constantemente trabalhando para torná-los ainda mais fortes. Embora os principais ímãs do LHC gerem um campo magnético cerca de 800.000 vezes o da Terra, aceleradores futuros exigirão ainda mais. A tecnologia de eletroímãs é uma parte vibrante e crucial de futuros dos laboratórios.

Fonte: http://www.symmetrymagazine.org/article/january-2015/superconducting-electromagnets-of-the-lhc