Mais próximo de um novo tipo de computador (One step closer to a new kind of computer)

Esta imagem mostra a resistência diferencial.

Um grupo internacional de físicos, incluindo Aleksander Golubov, chefe do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Supercondutores, recentemente apresentou os resultados de um novo fenômeno. Os resultados podem ajudar os cientistas na criação de um novo tipo de transição isolante-condutor.

       Pesquisadores realizaram uma série de experimentos com isolantes de Mott. Estes materiais, de acordo com a teoria de bandas, devem ser condutores, mas na prática são dielétricos (isolantes). Em termos gerais, o mecanismo por trás dessa anomalia é conhecido por físicos, embora uma teoria completa para isolantes de Mott ainda não existe. Eles não entendem completamente como os materiais se transformam de isolantes em condutores.

       Ao mesmo tempo, as estimativas preliminares indicam que este efeito é capaz de abrir um novo caminho para computadores mais rápidos. A transição ocorre sob a influência de vários fatores, incluindo um campo magnético, o que permite que seja controlado a partir do exterior. Isto torna possível aos investigadores permitir o fluxo de corrente ou interrompê-lo num ponto necessário. Tal esquema pode substituir transistores comuns e, neste caso, torná-los mais rápidos e mais compactos. Mas, para isso, os cientistas devem utilizar a teoria da transição de Mott.

       A teoria pertence às concepções fundamentais que explicam as propriedades elétricas de uma substância. Ela tem uma relação direta não somente com o comportamento isolante de Mott, mas também com a supercondutividade e os fundamentos da spintrônica, uma tecnologia que pode permitir o controle do spin do elétron. Supercondutividade e spintrônica estão entre essas tendências, onde se pode esperar avanços tecnológicos radicais, o que torna o entendimento da natureza da transição de Mott tão importante - e não apenas um ponto de vista puramente teórico.

       Em sua nova pesquisa, os físicos usaram um modelo especial que lhes permitiu estudar processos quânticos no isolante de Mott com a ajuda dos chamados vórtices magnéticos. Neste modelo proposto por Valery Vinokur e David Nelson em 1993, a corrente elétrica aciona um vórtice quântico em um material supercondutor, e pode-se considerar tal vórtice o portador de carga. Neste ponto, o que é mais significativo e sobre o qual Vinokur e Nelson escreveram ao discutir transições de fase, o supercondutor com vórtices se comportou como qualquer líquido superfluido ou como o vidro, através do qual a corrente elétrica não pode passar. Variando a temperatura e o campo magnético, os cientistas converteram a amostra de um estado para outro, e estas observações, juntamente com o conjunto de dados mais recentes foram usadas como uma base para a nova pesquisa.

Esta imagem mostra a matriz feita a partir de ilhas de nióbio usada nas experiências, e o relevo da seção transversal, bem como uma vista geral (C) no microscópio óptico.

       Para a nova experiência, os cientistas criaram uma matriz quadrangular de ilhas de nióbio com diâmetro de cerca de 220 nanômetros sobre silício. Eles construíram a amostra usando métodos padrão de litografia, e, em seguida, colocaram em um criostato resfriando para 1,4 K, o que é inferior à temperatura de transição supercondutora do nióbio. As ilhas de nióbio tornaram-se supercondutoras, vórtices magnéticos se formaram nelas, e os investigadores analisaram o comportamento do sistema em diferentes condições.

       Em particular, eles mediram a resistência da amostra e descobriram que esta quantidade se transforma de forma não linear com um campo magnético crescente. De um ponto de vista teórico, os resultados sugerem que se pode ver a transição de Mott como a transição de uma substância de um estado líquido a um gás, o que abre oportunidades adicionais para analisar o fenômeno a partir da perspectiva da termodinâmica. O esquema experimental desenvolvido pelos cientistas torna as experiências relativamente simples, porque eles têm uma quantidade suficiente de métodos de litografia e temperaturas comparáveis ​​com a do hélio líquido. Vale destacar que as baixas temperaturas foram alcançadas sem o uso do caríssimo hélio líquido.

Resistência não linear da amostra e a influência de campos magnéticos sobre a resistência elétrica.

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

Fonte2: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/miop-osc091515.php

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/349/6253/1202

200 km de cabos supercondutores fabricados para o ITER (200km of superconducting cables manufactured for ITER)

200 km de cabos supercondutores foram fabricados para formar os magnetos do maior reator ITER de fusão do mundo.

Os cabos são a maior aquisição na história industrial dos supercondutores. O ITER já recebeu 70% dos supercondutores, o que levou sete anos para a fabricação.

      China, Europa, Japão, Coreia, Rússia e os Estados Unidos foram responsáveis ​​pela produção dos supercondutores, que serão usados ​​para fazer os ímãs que irão moldar e controlar o plasma dentro da câmara de vácuo.

      “Temos injetado dinheiro em empresas e laboratórios industriais em todo o mundo, que agora ganharam experiência inestimável que pode ser aplicada em outras áreas críticas, como a imagem médica por ressonância, energia e transporte”, disse Bernard Bigot, diretor-geral do ITER. “Tecnologicamente, nós usamos a mais recente ciência de materiais, empurrando a produção para níveis sem precedentes”.

      Sem supercondutores, a fusão nuclear não seria possível. Supercondutores consomem menos energia e são mais baratos de operar do que ímãs convencionais, também suportam correntes mais altas e produzem campos magnéticos mais fortes.

      Os sistemas de magnetos supercondutores do ITER, com uma combinada energia magnética armazenada de 51GJ, irá produzir os campos magnéticos que iniciará, confinará, formará e controlará o plasma a temperaturas de 170 milhões °C.

      Os supercondutores são feitos de fios de nióbio-estanho (Nb₃Sn) e serão montados juntos e contidos em um revestimento de aço estrutural.

      A próxima etapa na fabricação de ímãs do ITER é a integração dos supercondutores com os conjuntos de bobina finais.

      “É inspirador ver os condutores do ITER como uma realidade depois de um programa de desenvolvimento que remonta mais de 30 anos, com parceiros que trabalham como uma equipe para dominar as complexas tecnologias envolvidas”, disse Neil Mitchell, que liderou o desenvolvimento dos condutores do ITER desde 1992.

Fonte: http://eandt.theiet.org/news/2015/sep/iter-superconducting-magnets.cfm

Grafeno supercondutor com átomos de lítio (Superconducting graphene breakthrough with lithium atoms)

Cientistas criaram o primeiro grafeno supercondutor usando revestimento de íons de lítio [Crédito: Universidade de British Columbia]

O primeiro grafeno supercondutor foi criado por pesquisadores canadenses usando revestimento átomo de lítio.

Adicionar a supercondutividade às propriedades já surpreendentes do grafeno irá expandir ainda mais o potencial uso do material, que é amplamente elogiado a um dia revolucionar a indústria de eletrônicos.

“Decorando a monocamada de grafeno com uma camada de átomos de lítio, há um aumento do acoplamento elétron-fônon do grafeno até o ponto onde a supercondutividade pode ser induzida”, disse Andrea Damascelli, diretor do Instituto de Matéria Quântica da Universidade de British Columbia, que liderou o estudo.

     A supercondutividade tinha sido observada em cristais de grafite tridimensionais intercalados com átomos de metais alcalinos. No entanto, alcançar o mesmo efeito em uma camada bidimensional de grafeno da espessura de um átomo tem sido até agora impossível.

     A equipe, que inclui cientistas do Instituto Max Planck para Pesquisas do Estado Sólido, obteve sucesso incorporando átomos de lítio na estrutura do grafeno em condições de ultra-alto vácuo e temperaturas tão baixas quanto -267 °C.

     Dado o interesse científico e tecnológico em amostras volumétricas de grafeno, a capacidade de induzir a supercondutividade em uma camada da espessura de um átomo pode ter impactos interdisciplinares significativos. De acordo com estudos recentes, o mercado global de grafeno chegou a US$ 9 milhões em 2014, com a maioria das vendas em semicondutores, eletrônica, bateria, energia e indústrias de compósitos.

     O grafeno, cerca de 200 vezes mais forte que o aço, é uma única camada de átomos de carbono arranjados em um padrão de favo de mel. O material foi isolado pela primeira vez em 2004 por pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov.

Fonte1: http://eandt.theiet.org/news/2015/sep/superconductive-graphene.cfm

Fonte2: http://www.pnas.org/content/early/2015/09/04/1510435112.abstract

Uma pequena e eficiente planta de fusão (A small, modular, efficient fusion plant)

Uma vista do reator ARC. Graças a poderosa nova tecnologia do ímã, o (muito menor) reator ARC é mais barato e deverá entregar a mesma potência de um reator muito maior. Ilustração: MIT ARC

       É uma velha piada que muitos cientistas de fusão estão cansados de ouvir: usinas práticas de fusão nuclear estão há apenas 30 anos de distância - e sempre estarão.

       Mas agora, finalmente, a piada já não pode ser verdade: avanços na tecnologia de ímã permitiram pesquisadores do MIT propor um novo e compacto reator de fusão Tokamak - e é algo que pode ser feito em menos de uma década, dizem eles. A era da energia de fusão que pode oferecer uma fonte quase inesgotável de energia, pode estar chegando perto.

       Os pesquisadores usaram fitas supercondutoras com materiais de alta temperatura crítica disponíveis comercialmente, a fim de produzir bobinas capazes de gerar altos campos magnéticos.

       O campo magnético mais forte faz com que seja possível produzir o confinamento magnético do plasma superquente - isto é, o material de uma reação de fusão - mas num dispositivo muito menor do que os anteriormente imaginados. A redução no tamanho, por sua vez, faz todo o sistema mais barato e mais rápido de construir, e também permite algumas novas funcionalidades engenhosas no projeto da usina.

Usina protótipo

O novo reator é projetado para a pesquisa básica sobre fusão e também como uma usina protótipo que poderia produzir energia significativa. O conceito básico do reator e seus elementos associados são baseados em princípios bem testados e comprovados, desenvolvidos ao longo de décadas de pesquisa no MIT e em todo o mundo, diz a equipe.

       “O campo magnético muito maior”, diz Brandon Sörbom, “permite atingir um desempenho muito maior”.

       Fusão é a mesma reação nuclear que alimenta o sol, onde pares de átomos de hidrogênio formam o gás hélio resultando em enormes liberações de energia. A parte mais difícil é confinar o plasma superquente - uma forma de gás eletricamente carregado - enquanto se aquece a temperaturas mais altas do que os núcleos de estrelas. Este é o lugar onde os campos magnéticos são tão importantes, eles efetivamente prender o calor e as partículas no centro quente do dispositivo.

       Enquanto a maioria das características de um sistema tende a variar proporcionalmente às mudanças nas dimensões, o efeito das variações no campo magnético em reações de fusão é muito mais extremo: o ​​aumento na capacidade da fusão varia de acordo com a quarta potência do aumento no campo magnético. Assim, a duplicação do campo iria produzir um aumento de 16 vezes na potência da fusão. “Qualquer aumento do campo magnético resulta em uma grande vitória”, diz Sörbom.

Dez vezes mais capacidade

       Enquanto os novos supercondutores não produzem a duplicação da intensidade do campo, eles são fortes o suficiente para aumentar o poder de fusão por um fator de 10 comparado à tecnologia de supercondutores padrão, diz Sörbom. Esta melhoria dramática leva a um grande potencial de melhorias no reator.

       O mais poderoso reator de fusão é o ITER que está em construção na França, deverá custar cerca de US $ 40 bilhões. Sörbom e a equipe do MIT estimam que o novo projeto com metade do diâmetro do ITER (concebido antes dos novos supercondutores tornarem-se disponível), teria a mesma capacidade com uma fração do custo e em um tempo de construção mais curto.

       Mas, apesar da diferença de tamanho e força do campo magnético, o reator proposto, chamado ARC, é baseado “exatamente na mesma física”, como o ITER, afirma Dennis Whyte, professor de engenharia nuclear. “Nós não estamos extrapolando nenhum regime novinho em folha”, acrescenta.

       Outro avanço chave no novo design é um método para a remoção do núcleo energético de fusão a partir do reator em forma de anel, sem ter de desmontar o dispositivo inteiro. Isso faz com que seja adequado para a investigação que visa melhorar ainda mais o sistema usando diferentes materiais ou modelos para ajustar o desempenho.

       Além disso, assim como no ITER, os novos ímãs supercondutores permitiriam ao reator operar de maneira sustentada, produzindo uma saída de potência constante, ao contrário dos reatores experimentais atuais, que só podem funcionar durante alguns segundos de cada vez, sem sobreaquecimento nas bobinas de cobre.

Proteção líquida

Outra vantagem importante é que a maioria dos materiais sólidos de cobertura utilizados para rodear a câmara de fusão em tais reatores são substituídos por um material líquido que pode ser facilmente distribuído e substituído, eliminando a necessidade de procedimentos dispendiosos de substituição como os materiais que degradam ao longo do tempo.

       “É um ambiente extremamente severo para materiais sólidos”, diz Whyte, então substituir os materiais com um líquido poderia ser uma grande vantagem.

       Agora, como projetado, o reator deve ser capaz de produzir cerca de três vezes mais eletricidade do que é necessário para mantê-lo funcionando, mas o projeto provavelmente poderia ser melhorado para aumentar essa proporção para cerca de cinco ou seis vezes, diz Sörbom. Até agora, nenhum reator de fusão produziu tanta energia quanto ele consome, de modo que este tipo de produção de energia líquida seria um grande avanço na tecnologia da fusão, diz a equipe.

       O projeto poderia produzir um reator que iria fornecer eletricidade para cerca de 100.000 pessoas, dizem eles. Aparelhos de complexidade e dimensões semelhantes serão construídos dentro de cerca de cinco anos, dizem eles.

       “A energia de fusão será a fonte de energia elétrica mais importante da Terra no século 22, mas precisamos disso muito mais cedo para evitar o catastrófico aquecimento global”, diz David Kingham, CEO da Tokamak Energy do Reino Unido, que não estava relacionada com esta pesquisa. “Este trabalho mostra uma boa maneira de fazer progressos mais rápidos”, diz ele.

       Sobre a pesquisa do MIT, Kingham diz: “O trabalho é de qualidade excepcional. O próximo passo seria refinar o projeto e trabalhar mais detalhes de engenharia, mas o trabalho já deve chamar a atenção dos políticos, filantropos e investidores privados”.

Fonte: http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810