Estudo propõe nova maneira de medir flutuações em supercondutores (Study proposes new way to measure superconducting fluctuations)

Cientistas do Argonne propõe evidência teórica para uma nova flutuação em supercondutores, o que pode levar a uma forma de medir a temperatura exata em que começa supercondutividade e lançar luz sobre as propriedades mal compreendidas de materiais supercondutores acima dessa temperatura. Acima: picos são visíveis a temperaturas próximas de T_C, a temperatura na qual inicia a supercondutividade. Crédito:. Alexey Galda

Supercondutores são um quebra-cabeça antigo em física, e se tornou ainda mais tentador devido às aplicações tecnológicas muito valiosas destes materiais. A eletricidade está sendo deperdiçada ao seu redor; pouquíssimos sistemas elétricos usam a capacidade de forma eficiente, eles sempre perdem energia como calor que você sente quando o seu laptop ou telefone fica quente. Isso porque até mesmo os nossos melhores condutores, como o cobre, sempre perde eletricidade para a resistência. Supercondutores não. Quando resfriados a temperatura de funcionamento, nunca perdem a eletricidade.

Este é o tipo de propriedade única que pode estimular completamente novos campos de invenção, e eles possuem ressonâncias magnéticas, torres de telefonia celular e Maglev, todos usando supercondutores. Mas eles não estão presentes em cada linha de transmissão devido a um grave problema logístico: a sua temperatura de funcionamento é -270 °F ou menos, por isso têm de ser resfriados com hélio ou nitrogênio líquido.

Materiais supercondutores têm muitas outras propriedades interessantes. Por exemplo, os cientistas descobriram que o fluxo de energia entre dois supercondutores, separadas por um fino material não condutor (chamado de junção Josephson) pode ser extremamente sensível à radiação de microondas externa. Um único fóton pode desencadear o fluxo de eletricidade através de um tal dispositivo apenas quando a tensão certa é aplicada. Este efeito singular, chamado de tunelamento ressonante, permite uma tão elevada precisão de medida que é utilizado para a sequenciação de DNA e criptografia quântica. O mesmo fenômeno determinou o padrão internacional de tensão ao longo de décadas.

O problema é que nós ainda não sabemos completamente como supercondutores funcionam, e se queremos realizar seu pleno potencial, precisamos entender.

Para explorar os supercondutores, uma das coisas que os cientistas fazem é reorganizá-los em todos os tipos de novas maneiras para empilhá-los em camadas, perfurar buracos e cortá-los em fios de apenas 50 nanômetros de espessura, por exemplo.

Estas novas disposições mudam a forma como os materiais se comportam, incluindo propriedades essenciais como a temperatura exata em que eles se tornam supercondutores, chamada de temperatura crítica (T_C).

“Até agora”, disse Valerii Vinokur, “o campo não tem um padrão, uma forma precisa de medir a T_C.”

Uma das coisas que sabemos é que ilhas de vida curta da supercondutividade podem se formar em um material um pouco acima da T_C. Estas regiões esporadicamente emergentes desaparecem rapidamente, chamadas de flutuações supercondutoras, espelham de uma forma ou de outra a maioria das propriedades supercondutoras do material em temperaturas abaixo de T_C. Apesar disso, as flutuações supercondutoras permanecem mal-entendidas, tanto que até mesmo medir sua vida tem sido um desafio. Vinokur e colaboradores propuseram um efeito que espelha o tunelamento ressonante acima da T_C que é forte o suficiente para medir, e mais importante, fica mais nítido quando a temperatura se aproxima de T_C.

Se verificado por meio de experimento, isso seria uma nova ferramenta de alta precisão para medir as propriedades fundamentais das flutuações supercondutoras e fornecer uma maneira de medir com mais precisão onde T_C reside para cada material.

“Cada nova ferramenta no estudo da supercondutividade é absolutamente inestimável - traz mais precisão para o campo”, disse Galda.

“Isso também nos permitiria estudar as flutuações de forma mais ampla”, disse ele.

As flutuações, segundo Galda, são interessantes porque podem ajudar os pesquisadores a mapear os comportamentos microscópicos de materiais, que são provavelmente a chave para o porquê e como materiais agem da maneira que agem. As flutuações são influenciadas por um número de fenômenos diferentes; uma ferramenta para desvendar pelo menos uma variável do conjunto ajudaria os pesquisadores a desvendar as contribuições dos outros.

“Saber quanto tempo as flutuações vivem é muito importante e tem sido difícil determinar experimentalmente”, disse Vinokur.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-superconducting-fluctuations.html

Fonte2: http://www.nature.com/srep/2015/150209/srep08315/full/srep08315.html

Corrigindo erros quânticos em circuitos supercondutores (Correcting quantum errors in superconducting circuits)

a) O código de repetição é uma variante unidimensional (1D) do código de superfície, e é capaz de proteger contra erros (bit-flip). O código é implementado usando um padrão alternado de dados e medição de qubits. b) Micrografia óptica do dispositivo quântico supercondutor, que consiste em nove qubits “transmon” com controle e medição individual. c) O algoritmo do código de repetição utiliza repetidas operações de medidas e de emaranhamento que detectam bit-flips, utilizando o esquema de paridade no lado direito. Usando o output a partir dos qubits medidos durante a repetição do código para detecção de erro, o estado inicial pode ser recuperado removendo erros físicos no software. Texto e imagem: Nature

         Os computadores quânticos do futuro serão construídos a partir de um grande número de bits quânticos (qubits), que deverão estar em certos estados quânticos. No entanto, esses estados são extremamente frágeis e facilmente destruídos por “erros de bits” vindos do ruído externo no ambiente, e os físicos ainda não conseguiram criar qubits robustos o suficiente para serem usados em uma máquina prática. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da Google construíram um sistema de nove qubits em um circuito supercondutor que é robusto a esses erros e as suas experiências mostram que a correção de erro quântico poderia agora ser realisticamente possível em um dispositivo.

        Os pesquisadores, liderados por John Martinis, construíram um circuito quântico supercondutor que consiste em nove qubits. Cada qubit é um pequeno circuito constituído por um condensador e um indutor não-linear (chamado cruzamento Josephson), que atua como um átomo artificial. Os materiais que compõem o conjunto são uma película de alumínio depositada em um substrato de safira.

        “Nosso sistema de nove qubits pode proteger-se de erros de bits que inevitavelmente surgem do ruído e flutuações do ambiente em que os qubits estão incorporados”, explica o membro da equipe de Julian Kelly. “Mostramos também que ‘mais é melhor’: nove qubits protege o sistema melhor do que cinco qubits, um requisito fundamental quando vai para mais qubits em um computador quântico real do futuro”.

Estados quânticos são frágeis

        Os computadores quânticos vão funcionar com base no princípio de que uma partícula quântica pode estar em uma superposição de dois estados ao mesmo tempo – ‘spin up’ e ‘spin down’ no caso de um elétron, por exemplo. Os dois estados representam um ‘1’ e ‘0’, de modo que N partículas - os qubits - podem ser combinados, ou ‘emaranhados’, para representar valores 2N simultaneamente. Isso levaria ao processamento paralelo de informação em grande escala, o que não é possível com os computadores convencionais.

        Tais máquinas quânticas teriam um desempenho muito melhor em determinadas tarefas, como a aprendizagem de máquina ou simulação de moléculas complexas, por exemplo, porque suas velocidades de processamento devem crescer exponencialmente com o número de qubits de informação envolvidos. Na prática, porém, os físicos têm se esforçado para criar até mesmo o computador quântico mais simples, porque a fragilidade desses estados quânticos significa que eles são facilmente destruídos e são difíceis de controlar.

Paridade de medição

        “Na mecânica quântica, não podemos medir um qubit sem destruir a superposição e emaranhamento que faz com que a mecânica quântica funcione”, diz o membro da equipa Rami Barends, “mas podemos medir algo chamado paridade, que forma a base da correção de erro quântico”.

        Os pesquisadores exploraram esse fato e repetidamente mediram a paridade entre ‘dados’ de qubits adjacentes, fazendo uso de qubits de ‘medição’. “Cada ciclo, estes qubits de medição interagem com seus qubits de dados circundantes, através de portas lógicas quânticas e então podemos medi-los”, diz Kelly. “Quando ocorre um erro, a paridade muda de acordo e o qubit de medição relata um resultado diferente. Ao acompanhar esses resultados, podemos descobrir quando e onde ocorreu um erro de bit”.

Identificação e correção de erros

        Um número maior de qubits fornece mais informações para identificar e corrigir os erros, acrescenta Austin Fowler, membro da equipe. “Erros podem ocorrer a qualquer momento e em todos os tipos de qubits: qubits de dados, qubits de medição, durante a operação da porta e até mesmo durante a medida. Descobrimos que um dispositivo de cinco qubits é robusto para qualquer tipo de erro de bit que ocorre em qualquer lugar durante um algoritmo, mas um dispositivo de nove qubits é melhor porque é robusto para qualquer combinação de dois erros de bit”.

        Embora ainda muito longe de aplicações no mundo real, os pesquisadores dizem que um dispositivo de ‘auto-correção’ como o deles poderia ser uma ótima plataforma para testar algumas das ideias por trás da correção de erros - como proteger um estado quântico contra os famosos erros de phase-flip. “Nós também estamos agora ocupados em melhorar a qualidade dos nossos qubits e os materiais que usamos para fazê-los”, diz Kelly.

John Martinis e vários outros especialistas descrevem os benefícios e desafios da computação quântica em um podcast que apareceu pela primeira vez no site physicsworld.com: “A computação quântica: Desafios, triunfos e aplicações”.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60428

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7541/full/nature14270.html

Acelerador de íons pesados feito com material supercondutor (Superconducting accelerator for heavy ion accelerator developed domestically)

Ressonador de onda

       Pesquisadores coreanos desenvolveram com sucesso um acelerador supercondutor, conhecido como o dispositivo central de aceleradores de íons pesados. O acelerador supercondutor será aplicado a uma série de pesquisas como uma parte crucial das áreas da ciência médica e bioengenharia. A equipe de construção do acelerador de íons pesados no âmbito do Instituto de Ciências Básicas construiu o acelerador supercondutor e passou no teste de desempenho pelo laboratório nacional do Canadá de partículas e física nuclear (TRIUMF). A Coréia tornou-se o oitavo país do mundo a adquirir a tecnologia.

Um acelerador supercondutor é um cilindro em forma de tubo de vácuo que aumenta a velocidade dos íons pesados ​​altamente carregados perto da velocidade da luz. Feito de supercondutor de nióbio (Nb), o acelerador supercondutor anula a resistência elétrica próximo do zero absoluto -273,15 °C. O acelerador supercondutor desenvolvido é um ressonador de onda (SCL1) utilizado em baixa energia.

Um pesquisador do Instituto de Ciências Básicas afirmou que a tecnologia de produção do acelerador supercondutor pode ajudar a salvar o custo da construção e facilitar a entrada no mercado global de empresas coreanas envolvidas no processo de desenvolvimento. O acelerador pode ser construído pela metade do preço.

O líder da equipe do projeto disse que vai apoiar ativamente a produção de outros dispositivos-chave, tais como um módulo do termostato de baixa temperatura e um magneto supercondutor de alta temperatura, sem falar nos dois outros tipos de aceleradores até o final do ano para alcançar a taxa de 65% da produção interna.

Fonte: http://www.whowired.com/406784.htm

Elétrons em câmera lenta (Electrons in slow motion)

As diferentes dinâmicas de relaxamento em um high-T_C e em supercondutores convencionais. Fonte: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

 

Um processo que é rápido demais para ser medido e analisado. No entanto, um grupo de cientistas internacionais não desanimou e desenvolveu uma espécie de sistema altamente sofisticado de edição de filme, o que lhes permitiu observar - pela primeira vez de forma direta - um efeito subjacente à condutividade de alta temperatura.

Supercondutores têm propriedades que os tornam potencialmente muito interessante para a tecnologia (exemplos de aplicação incluem trens de levitação magnética). O caminho para uma verdadeira aplicação das propriedades extraordinárias destes supercondutores é, no entanto, bloqueada pelo fato de que os convencionais trabalham em temperaturas extremamente baixas próximas ao zero absoluto, e, portanto, inviáveis. Supercondutores à base de óxido de cobre, graças a uma temperatura mais elevada de trabalho, são mais promissores, mas a possibilidade de sintetizar supercondutores à temperatura ambiente continua a ser um objetivo distante. O principal obstáculo é a falta de compreensão do mecanismo que permite transformar óxidos de cobre em supercondutores.

Um dos principais problemas é entender se as interações de elétrons no interior do material são diretas e instantâneas ou mediadas por alguma interação ‘atrasada’. Para responder a essa pergunta, precisamos olhar para o processo ‘na vida real’, mas dada a sua rapidez incomum, isso está longe de ser fácil. “A solução que concebemos é baseada no uso de pulsos de luz ultra-rápidos, com duração de 10 femtosegundos, ou seja, 10 milhões de bilionésimos de segundo”, explica Claudio Giannetti, da Universidade Católica do Sagrado Coração, que coordenou a pesquisa. “Para serem capaz de realizar essas medições nossos laboratórios desenvolveram um aparelho experimental único capaz de produzir, utilizar e medir pulsos de luz de cores diferentes que duram menos de 10 femtosegundos”, acrescenta Giulio Cerullo, chefe dos laboratórios de espectroscopia ultra-rápida do Departamento de Física da Politécnica de Milão.

O método desenvolvido se assemelha à ‘fotografia de alta velocidade’ inventada por Eadweard Muybridge mais de 100 anos atrás. “As imagens estroboscópicas famosas, ou imagens em movimento, podem dar uma ideia do que fizemos”, explica Massimo Capone, pesquisador do SISSA em Trieste. “Muybridge, assim como nós, teve de tirar fotos de objetos em alta velocidade, quebrar o movimento em muitos moldes antes de criar essas imagens bonitas (que se tornaram ícones) que oferecem uma reconstrução da trajetória de movimento. Fizemos algo muito semelhante, em uma minúscula dimensão temporal (e espacial), utilizando pulsos de luz infinitamente curtos como obturadores, para observar mudanças ultra-rápidas nas propriedades de um supercondutor”.

       Os cientistas aplicaram a técnica a diferentes famílias de supercondutores de alta temperatura, sucedendo, assim, em medir o que eles definem como o “mais rápido processo lento” em um sólido, e seus resultados apoiam a hipótese de que as interações dos elétrons nesses supercondutores são mediadas pelo spin dos elétrons.

Mais em detalhe ...

       “Em geral, as interações dos elétrons em um sólido podem ser divididas em interações diretas, que são virtualmente instantâneas, e ‘interações retardadas’, que ocorrem quando os elétrons interagem com outras partículas (bósons decorrentes da excitação dos íons ou de excitações magnéticas)”, explica Capone. “Estes últimos processos são pensados como fundamentais para a supercondutividade ocorrer, já que eles formam a ‘cola’ que mantém os elétrons juntos nos chamados ‘pares de Cooper’ subjacentes ao próprio fenômeno da supercondutividade”.

       “Até o momento, as experiências semelhantes realizadas com uma resolução temporal inferior conseguiram acessar somente os processos ‘lentos’ relacionados às interações de elétrons com as vibrações (fônons) da rede cristalina formadas por íons”, explica Cerullo. “Neste estudo, pela primeira vez, nós medimos o emparelhamento de elétrons com outra família de excitações ligadas ao spin do elétron e do magnetismo”.

       “Este emparelhamento”, conclui Giannetti, “era impossível de acessar experimentalmente até agora porque ocorre em um intervalo de apenas 10 femtosegundos. Nossa técnica e sua utilização inicial abriram uma nova janela sobre os processos ultra-rápidos em supercondutores de alta temperatura”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/isoa-eis030915.php

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

Nanofios podem aprisionar elétrons que interrompem a supercondutividade (Ultra-thin nanowires can trap electron 'twisters' that disrupt superconductors)

Esta ilustração descreve uma pequena fileira de vórtices feitas no local entre as bordas de um nanofio desenvolvido por cientistas da Johns Hopkins. Crédito: Nina Markovic e Tyler Morgan-Wall / JHU

Materiais supercondutores são valorizados por sua capacidade de transportar corrente elétrica sem resistência, mas essa característica valiosa pode ser quebrada quando elétrons giram em forma como de tornados minúsculos chamados vórtices. Estes minitornados se formam muitas vezes na presença de campos magnéticos, tais como os produzidos pelos motores elétricos.

       Para manter as supercorrentes fluindo em alta velocidade, os cientistas da Johns Hopkins descobriram como restringir os incômodos vórtices, aprisionando-os dentro de nanofios ultrafinos extremamente curtos.

“Nós encontramos uma maneira de controlar os vórtices individuais para melhorar o desempenho de fios supercondutores”, disse Nina Markovic, professora associada do Departamento de Física e Astronomia na Escola Krieger.

       Muitos materiais podem se tornar supercondutores quando arrefecidos a uma temperatura de cerca de 460 F abaixo de zero, o que é conseguido usando hélio líquido.

       O novo método de manter o material de resistência dentro desses supercondutores é importante porque esses materiais têm um papel fundamental em dispositivos tais scanners médicos de MRI, aceleradores de partículas, detectores de fótons e os filtros de frequência de rádio usados em sistemas de telefonia celular. Além disso, espera-se que os supercondutores se tornem componentes críticos em futuros computadores quânticos, que serão capazes de fazer cálculos mais complexos do que as máquinas atuais.

       Uma maior utilização dos supercondutores pode depender de parar o dano causado pelos vórtices de elétrons que destroem a resistência nula. Os cientistas de Johns Hopkins dizem que seus nanofios impedem que isso aconteça.

       Markovic, que supervisionou o desenvolvimento desses fios, disse que outros pesquisadores têm tentado manter vórtices fixos em impurezas no material condutor, o que os torna incapazes de se mover.

       “Bordas também podem fixar os vórtices, mas é mais difícil fixá-los na maior área do material, longe das extremidades”, disse ela. “Para superar esse problema, fizemos uma amostra supercondutora que consiste principalmente de bordas: um nanofio de alumínio muito estreito.”

       Estes nanofios, disse Markovic, são tiras planas de um bilionésimo da espessura de um fio de cabelo humano e cerca de 50 a 100 vezes maior que a sua largura. Cada nanofio forma uma estrada de sentido único que permite aos pares de elétrons siga em frente no ritmo da supercorrente.

       Vórtices podem se formar quando um campo magnético é aplicado, mas por causa do design ultrafino do material, “apenas uma linha de vórtice curto pode caber dentro dos nanofios”, disse Markovic. “Porque existe uma borda em cada lado deles, os vórtices estão presos no lugar e a supercorrente pode simplesmente deslizar em torno deles, mantendo a velocidade livre de resistência.”

       A capacidade de controlar o número exato de vórtices no nanofio pode produzir benefícios adicionais, dizem físicos especialistas. Futuros computadores ou outros dispositivos podem um dia usar vórtices em vez de cargas elétricas para transmitir informações, dizem.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-ultra-thin-nanowires-electron-twisters-disrupt.html

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.077002

Ponto de virada da supercondutividade: do nicho para o mercado (Superconductivity's turning point from niche to mass markets)

John Durrell. Professor de Supercondutividade. Crédito: Keith Heppell

A seguir, uma entrevista com o Dr. John Durrell, professor recém-nomeado em supercondutividade, por Philip Guildford, diretor de pesquisa:

Philip: A descoberta da supercondutividade de alta temperatura, em 1987, criou uma enorme quantidade de interesse científico e da mídia, mas, em seguida, desapareceu da vista do público. O que aconteceu?

John: A supercondutividade intriga especialistas e leigos igualmente. Resistência nula à eletricidade, enormes campos magnéticos, e levitação magnética, são coisas de ficção científica. Antes de 1987, o fenômeno foi observado em materiais a -255 °C. Em 1987, verificou-se em novos materiais a -183 °C. Ainda muito frio, mas pode ser conseguida com nitrogênio líquido, em vez de hidrogênio, e sistemas de resfriamentos mais baratos. Todo mundo ficou muito animado, possivelmente muito animado, com a ideia de usar esses materiais em aplicações cotidianas. Era impossível para os cientistas e engenheiros entregarem resultados imediatamente de modo a coincidir com a campanha publicitária e, inevitavelmente, o foco da mídia mudou para a próxima grande novidade.

Philip: Então, que progresso tem sido feito desde a descoberta?

John: Enorme quantidade de trabalho árduo longe dos holofotes da mídia produziu fios supercondutores e materiais que são usados ​​em todos os tipos de aplicações, como scanners de ressonância magnética usados em hospitais, ímãs de campo muito altos para pesquisa e em dispositivos muito sensíveis para medir campos magnéticos. Mas agora tudo está configurado para ir mais rápido.

Philip: Por que este é o momento de transição?

John: Em nosso grupo no Departamento de Engenharia, chegamos ao ponto em que podemos fazer grandes amostras de supercondutor com propriedades fantásticas. Recentemente, quebramos o recorde mundial para o campo magnético preso em um supercondutor (http://iopscience.iop.org/0953-2048/27/8/082001/). Temos um processo industrial para a produção deste material. Isso abre a porta para o uso de campos magnéticos muito mais elevados em aplicações cotidianas, como motores e geradores. Por exemplo, podemos imaginar navios comerciais comuns correndo com supercondutores na sala de máquinas. Mark Ainslie em nosso grupo está trabalhando em protótipos que esperamos ser de apenas 25% do volume de um motor convencional. Além disso, Suchitra Sebastian e colegas no Laboratório Cavendish em Cambridge, revelaram uma base teórica para explicar por que os materiais supercondutores que usamos podem acelerar a nossa caça por materiais ainda melhores. A combinação de processos industriais para fazer os materiais, protótipos práticos e uma forte base teórica cria esse momento de transição em nosso campo.

Philip: O que vem pela frente?

John: O trabalho duro de construir uma maior compreensão, melhorar os materiais, aumentar a produção e fazer tudo robusto o suficiente para uso industrial. À medida que trabalhamos em estreita colaboração com as empresas, o progresso para o mercado vai saltar adiante e, provavelmente, em direções inesperadas, com a interface entre o meio acadêmico e a indústria gerando frequentemente oportunidades imprevistas excitantes.

Philip: E para você pessoalmente?

John: Eu me sinto privilegiado por estar cuidando do grupo do professor David Cardwell por cinco anos, enquanto ele é Chefe do Departamento de Engenharia. Eu quero fazer muito mais do que ser apenas o zelador. Eu quero manter o ritmo que David tem construído ao longo dos anos, manter o espírito de equipe, desenvolver as nossas ligações industriais e aproveitar ao máximo este ponto de virada para a supercondutividade. Depois de cinco anos, eu quero que David e a equipe se sintam orgulhosos de nossos resultados: novas descobertas científicas e de engenharia, demonstrações de máquinas supercondutoras e empresas que trabalham com a gente para usar supercondutores em novas aplicações práticas.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-superconductivity-niche-mass.html

Simulando materiais supercondutores com átomos ultrafrios (Simulating superconducting materials with ultracold atoms)

Pesquisadores da Rice University aprisionaram gás atômico ultrafrio em grades de interseção de feixes de laser para imitar a ordem antiferromagnética observada nos compostos precursores de quase todos os supercondutores de alta temperatura. Crédito: P. Duarte / Rice University

Usando átomos ultrafrios como um ‘dublê’ para os elétrons, uma equipe de físicos da Rice University simulou materiais supercondutores e fez progressos em um problema que atormenta os físicos por quase três décadas. Randy Hulet, líder da equipe, disse que o trabalho poderia abrir um novo campo da ciência ainda inexplorado.

Quase 30 anos se passaram desde que os físicos descobriram que os elétrons podem fluir livremente através de determinados materiais supercondutores a temperaturas relativamente elevadas. As razões para essa alta temperatura, ou a supercondutividade ‘não convencional’ são ainda desconhecidas. Uma das teorias mais promissoras para explicar a supercondutividade não convencional - o modelo de Hubbard - é simples de expressar matematicamente, mas é impossível de resolver com computadores digitais.

“O modelo de Hubbard é um conjunto de equações matemáticas que podem ser a chave para explicar a supercondutividade de alta temperatura, mas elas são muito complexas para resolver, mesmo com o supercomputador mais rápido”, disse Hulet. “É aí que nós entramos.”

O laboratório de Hulet é especializado no resfriamento de átomos a temperaturas tão baixas que o seu comportamento é ditado pelas regras da mecânica quântica, as mesmas regras quânticas que os elétrons seguem quando fluem através de supercondutores.

“Usando nossos átomos frios e feixes de luz laser para imitar a estrutura de cristal em um material real, fomos capazes de simular o modelo de Hubbard”, disse Hulet. “Quando fizemos isso, fomos capazes de produzir antiferromagnetismo exatamente da forma como o modelo de Hubbard prevê. Isso é emocionante porque é o primeiro sistema atômico ultrafrio que é capaz de detectar o modelo de Hubbard, e também porque antiferromagnetismo é conhecido por existir em quase todos os compostos precursores de supercondutores convencionais”.

A equipe de Hulet é uma das muitas que estão correndo para usar sistemas atômicos ultrafrios para simular a física dos supercondutores de alta temperatura. “Apesar de 30 anos de esforço, as pessoas ainda têm de desenvolver uma teoria completa para supercondutividade de alta temperatura”, disse Hulet. “Materiais eletrônicos reais são extraordinariamente complexos, com impurezas e defeitos de rede que são difíceis de controlar totalmente. Na verdade, tem sido tão difícil estudar o fenômeno nestes materiais que os físicos ainda não sabem os ingredientes essenciais que são necessários para fazer um supercondutor não convencional ou como fazer um material que superconduza em maior temperatura”. O sistema de Hulet imita o material eletrônico real, mas sem defeitos de rede ou desordem.

“Acreditamos que o magnetismo desempenha um papel neste processo, e sabemos que cada elétron nestes materiais correlaciona-se com todos os outros, de uma forma altamente complexa”, disse ele. “Com as nossas descobertas mais recentes, confirmamos que podemos arrefecer nosso sistema ao ponto onde podemos simular correlações magnéticas de curto alcance entre os elétrons quando elas começam a se desenvolver. Isso é importante porque os nossos colegas teóricos foram capazes de usar uma técnica matemática conhecida como Monte Carlo Quântico para verificar se os resultados correspondem ao modelo Hubbard”, disse Hulet. “Foi um esforço heróico, e eles empurraram suas simulações de computador, tanto quanto eles poderiam ir. De agora em diante, à medida que ficar mais frio ainda, vamos estender os limites da física conhecida.”

Nandini Trivedi, professora de física na Universidade do Estado de Ohio, explicou que ela e seus colegas da Universidade da Califórnia tinham a tarefa de identificar o quão frio os átomos tinham que ser no experimento. “Algumas das grandes perguntas que fazemos estão relacionados com os novos tipos de formas em que os átomos se organizam em baixas temperaturas”, disse ela. “Ir a temperaturas tão baixas é um desafio, a teoria ajudou a determinar a temperatura mais alta em que poderíamos esperar os átomos ordenarem-se como as de um antiferromagneto.”

Depois da descoberta da supercondutividade de alta temperatura na década de 1980, alguns físicos teóricos propuseram que a física subjacente pode ser explicada com o modelo de Hubbard, um conjunto de equações desenvolvidas na década de 1960 pelo físico John Hubbard para descrever as propriedades magnéticas e de condução de elétrons em metais de transição e de óxidos de metais de transição.

Cada elétron tem um spin que se comporta como um ímã minúsculo. Os cientistas em 1950 e 1960 notaram que os spins dos elétrons em metais de transição e de óxidos de metais de transição poderiam se alinhar em padrões ordenados. Ao criar o seu modelo, Hubbard procurava criar o sistema mais simples possível para explicar como os elétrons nestes materiais respondem um ao outro.

O modelo de Hubbard apresenta elétrons que podem saltar entre sítios numa rede ordenada. Cada local na estrutura representa um íon na rede cristalina do material, e o comportamento dos elétrons é ditado por um pequeno número de variáveis. Em primeiro lugar, os elétrons não são permitidos compartilhar um nível de energia, devido a uma regra conhecida como a exclusão de Pauli. Em segundo lugar, os elétrons se repelem e devem ‘pagar uma multa de energia’ quando ocupam o mesmo sítio.

“O modelo de Hubbard é extremamente simples de expressar matematicamente”, disse Hulet. “Mas, por causa da complexidade das soluções, não podemos calcular suas propriedades para nada, mas um número muito pequeno de elétrons sobre a rede. Há simplesmente muito emaranhamento quântico entre os graus de liberdade do sistema.”

Os pesquisadores usaram a técnica espalhando de Bragg para observar os planos de simetria que são característicos da ordem antiferromagnética. Crédito: P. Duarte / Rice University

Comportamentos de elétrons correlacionados, como antiferromagnetismo e supercondutividade, resultam do feedback, com a ação de cada elétron provoca uma cascata que afeta todos os seus vizinhos. Os cálculos se tornam exponencialmente mais demorados quando o número de sítios aumenta. Até o momento, os melhores esforços para produzir simulações de computador de modelos de Hubbard de duas e três dimensões envolvem sistemas com não mais do que algumas centenas de sítios.

Devido a estas dificuldades computacionais, foi impossível determinar se o modelo de Hubbard contém a essência da supercondutividade não convencional. Os estudos confirmaram que as soluções do modelo mostram antiferromagnetismo, mas não se sabe se eles também exibem a supercondutividade.

No novo estudo, Hulet e colegas criaram uma nova técnica experimental para resfriar os átomos em seu laboratório a temperaturas suficientemente baixas para começar a observar a ordem antiferromagnética em uma rede óptica com cerca de 100.000 sítios. Esta nova técnica resulta em temperaturas na rede que são metade do que as experiências anteriores.

“A técnica padrão é criar o gás atômico frio, carregar na rede e medir. Nós desenvolvemos o primeiro método para arrefecimento evaporativo de átomos que já tinha sido carregado em uma rede. Esta técnica, que utiliza aquilo que chamamos um ‘retículo óptico compensado’, também ajudou a controlar a densidade da amostra, o que se torna crítica para a formação da ordem antiferromagnética.”

Segundo Hulet, uma segunda inovação foi o uso da técnica espalhamento de Bragg para observar os planos de simetria que são característicos da ordem antiferromagnética. A equipe vai precisar desenvolver uma técnica totalmente nova para medir as correlações do pareamento de elétrons característicos da supercondutividade. E eles também vão precisar de amostras mais frias, cerca de 10 vezes mais frias do que as utilizados no estudo atual.

“Temos algumas coisas em mente”, disse Hulet. “Estou confiante de que podemos alcançar temperaturas mais baixas tanto por refinar o que já fizemos como no desenvolvimento de novas técnicas. Nosso objetivo imediato é obter frio o suficiente para chegar totalmente no regime antiferromagnético, e de lá, esperamos entrar no regime de emparelhamento onda-d e confirmar se existe ou não no modelo de Hubbard”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-simulating-superconducting-materials-ultracold-atoms.html

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7542/full/nature14223.html

Limitador de corrente supercondutor (Superconducting material limits short-circuit currents)

Siemens desenvolve um limitador de corrente supercondutor para evitar curto-circuito na rede elétrica. Até o final de 2015 a Siemens vai testar o novo limitador de corrente em cooperação com a empresa concessionária. A imagem mostra a produção de bobinas supercondutoras.

Com o aumento da produção de energia renovável (biogás, instalações solares, parques eólicos etc.) alimentando diretamente a rede elétrica de média tensão, há aumento na possibilidade de curto-circuito o que exige a instalação de componentes de proteção. Reatores em série sozinhos não oferecem uma solução. Eles não só atuam como resistências quando há um curto-circuito, mas também durante o funcionamento normal. Isso faz com que a eletricidade seja continuamente desperdiçada. A perda de potência equivale a 25 kilowatts por bobina de reator em série. Especialistas estimam que até 44 mil reatores estejam instalados em todo o mundo. Isso se traduz em uma perda global de potência de até 1.100 megawatts, que é o equivalente à produção de uma grande usina.

         Supercondutores resolvem esse problema, porque transportam eletricidade sem resistência e quase nenhuma perda a baixas temperaturas e abaixo da corrente crítica. Eles são, em certo sentido, “invisíveis” na rede. Os cientistas da Siemens Corporate Technology têm pesquisado supercondutores de alta temperatura por mais de 20 anos e agora possuem várias patentes essenciais para limitador de corrente supercondutor.

        Os cientistas estão usando supercondutores feitos à base de óxido de cobre ítrio-bário, que são esfriados a -196 °C com nitrogênio líquido. Se ocorrer um curto-circuito, a corrente aumenta fortemente, e quando atingir o valor da corrente crítica do supercondutor, ele fará com que o supercondutor perca suas propriedades supercondutoras e de repente se transformar em um resistor. O protótipo limitador de corrente supercondutor será combinado com um reator em série, através do qual a corrente do curto-circuito é reencaminhada. Dessa forma, o supercondutor pode resfriar-se de modo que ele será automaticamente utilizável novamente pouco tempo depois. Siemens planeja monitorar a nova tecnologia por um ano, mas ambos os parceiros apontam para uma instalação permanente, mesmo após a vigência formal do projeto.

Fonte: http://phys.org/news/2015-02-superconducting-material-limits-short-circuit-currents.html

Clusters de alumínio são supercondutores a altas temperaturas (Clusters of aluminum metal atoms become superconductive at surprisingly high temperatures)

Imagem: Mystery in Space, #56

        Um supercondutor que funciona à temperatura ambiente foi considerado impossível por muito tempo, mas cientistas da USC descobriram uma família de materiais que pode torná-lo realidade.

Uma equipe liderada por Vitaly Kresin, encontrou que “super-átomos” de alumínio - conjuntos homogêneos de átomos - parecem formar pares de Cooper (um dos elementos-chave da supercondutividade) a temperaturas em torno de 100 K. Apesar de 100 K ainda ser muito frio (-173 °C), este é um enorme aumento em relação ao metal alumínio que é supercondutor próximo de 1 K.

“Esta pode ser a descoberta de uma nova família de supercondutores, e levanta a possibilidade de que outros tipos de super-átomos serão capazes de superconduzir em temperaturas ainda mais quente”, disse Kresin.

O futuro da eletrônica e de transmissão de energia

A supercondutividade é a capacidade de transmissão de eletricidade sem qualquer resistência, o que significa que nenhuma energia é perdida na transmissão.

A razão pela qual o seu laptop esquenta quando você o deixa ligado por um longo tempo é que a eletricidade encontra resistência ao percorrer os circuitos da máquina, gerando calor e desperdiçando energia.

Além das aplicações específicas que os supercondutores já possuem (aparelhos de ressonância magnética, eletroímãs poderosos que levitam trens, aceleradores de partículas, sensores ultra-sensíveis de campo magnético etc.), um supercondutor de temperatura ambiente permitiria aos engenheiros tornar todos os dispositivos eletrônicos ultraeficientes.

Pares de Cooper: parceiros de dança eletrônica

Pares de Cooper são dois elétrons que atraem um ao outro, em alguns materiais, sob certas condições como temperaturas extremamente baixas.

“Imagine que você tem um salão de baile cheio de pares de dançarinos espalhados aleatoriamente por toda a sala. Seu parceiro pode ir em busca de uma tigela de ponche, enquanto você está no centro da pista de dança. Mas seus movimentos são feitos em conjunto - você está em sintonia com ele”, disse Kresin. “Agora imagine todos os parceiros de dança mudando a cada poucos momentos. Esta é uma analogia de como funciona o par de Cooper.”

Quando os elétrons fluem através de um material, eles se chocam com várias imperfeições. Essa é a resistência que causa a perda de energia na forma de calor. Se os elétrons são acoplados em pares de Cooper, essa conexão é forte o suficiente para mantê-los em curso, independentemente do choque. Pares de Cooper são os que fazem o trabalho da supercondutividade.

Supercondutividade em super-átomos

Super-átomos se comportam, de certa forma, como um átomo gigante. Os elétrons fluem dentro deles em uma estrutura de casca previsível, como se estivesse em uma nuvem de elétrons de um único átomo. Cascas de elétrons são o resultado de um efeito quântico. As cascas são orbitais em que os elétrons podem ser encontrados em torno de um átomo. Elas ocorrem de forma previsível: dois elétrons em torno do núcleo na órbita mais próximo, oito na próxima órbita mais elevada, 18 no terceiro e assim por diante.

O fato de que não são apenas super-átomos partículas sólidas, mas também possuem um conjunto gigante de camadas eletrônicas, fez os cientistas suspeitarem que eles possam também apresentar um outro efeito quântico: emparelhamento de Cooper.

Para testar esta hipótese, os pesquisadores construíram cuidadosamente super-átomos de alumínio de tamanhos específicos (32-95 átomos) e, em seguida destruíram com um laser a diferentes temperaturas. Eles gravaram quantos elétrons foram capazes de arrancar do super-átomo em função da energia do laser.

O gráfico deve ser uma curva ascendente simples – com o aumento da energia do laser, mais elétrons são retirados de forma suave proporcional. Para super-átomos contendo 37, 44, 66 e 68 átomos de alumínio, o gráfico mostrou estranhas saliências indicando que em determinados níveis de energia, os elétrons estavam resistindo ao ‘esforço’ do laser para removê-los - possivelmente porque o emparelhamento de Cooper estava ajudando os elétrons a manterem-se unidos um ao outro. A saliência aparece quando a temperatura diminui ocorrendo em torno de 100 K, dando provas de que os elétrons estavam formando pares de Cooper.

O futuro dos supercondutores

Super-átomos que formam pares de Cooper representam uma fronteira inteiramente nova no campo da supercondutividade. Os cientistas podem explorar a supercondutividade de vários tamanhos de super-átomos e em vários elementos. “100 Kelvin pode não ser o limite superior de temperatura”, disse Kresin.

Kresin prevê um futuro em que os circuitos eletrônicos poderiam ser construídos colocando super-átomos em uma cadeia ao longo de um substrato, permitindo que a eletricidade flua sem obstáculos ao longo da cadeia.

Fonte1: http://news.usc.edu/76293/these-superconductors-are-just-getting-warmed-up/

Fonte2: http://pubs.acs.org/doi/ipdf/10.1021/nl5048175