Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

quinta-feira, 25 de outubro de 2018

Primeira turbina eólica supercondutora está pronta


Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2018

Tendo passado com êxito pelos testes em laboratório, o gerador supercondutor será instalado em sua torre até o final do ano. [Imagem: EcoSwing]


A primeira turbina eólica supercondutora do mundo será instalada na costa da Dinamarca até o final deste ano. A conquista é fruto do projeto ECOSWING, financiado pela União Europeia, e promete revolucionar a indústria de energia eólica através da implantação de geradores mais leves, mais econômicos e mais potentes.
Já testada com sucesso no laboratório, o teste de campo da turbina baseada em materiais sem resistência à corrente elétrica abrirá caminho para a implantação comercial da tecnologia na próxima geração de turbinas multimegawatts.
O protótipo é capaz de produzir cerca de 3 MW (megawatts) de eletricidade impulsionado por apenas duas pás.
A grande estrela da tecnologia é o gerador, que usa supercondutores de ‘alta temperatura’ - alta em relação aos primeiros supercondutores, que funcionavam perto do zero absoluto. Pesando 40% menos do que os geradores convencionais, a máquina de última geração requer menos material em sua fabricação e é mais econômica para construir, transportar e instalar.
“O consórcio ECOSWING teve sucesso no projeto, desenvolvimento e construção do primeiro gerador eólico supercondutor de múltiplos megawatts em escala real. Essa demonstração em um ambiente operacional real lançará as bases para um produto revolucionário que mudará a maneira como as turbinas eólicas operam e vai expandir muito o setor de energia eólica,”
disse Jürgen Kellers, que chefiou o projeto, um esforço que envolveu nove parceiros industriais e acadêmicos.
       Os geradores eólicos atuais funcionam como um dínamo tradicional, com ímãs permanentes rotativos dentro de um conjunto de bobinas de cobre. A rotação cria um campo magnético variável nas bobinas, o que gera uma corrente elétrica.
       No gerador supercondutor, os ímãs são substituídos por eletroímãs, bobinas de uma fita cerâmico-metálica que se torna supercondutora sob condições extremamente frias, obtidas pela contenção das bobinas dentro de um tambor de vácuo super-resfriado com uma pequena quantidade de gás criogênico.
       Nessa temperatura ultrafria, a eletricidade passa através das bobinas com quase nenhuma resistência, permitindo fluxos de energia 100 vezes maiores do que nos geradores comuns.
       A ausência de resistência elétrica significa que muito menos material, incluindo valiosos metais de terras raras, é necessário para fabricar um gerador supercondutor de alta temperatura para obter a mesma energia, resultando em reduções substanciais de custo e peso.
       Estas vantagens permitirão que as turbinas eólicas supercondutoras sejam fabricadas em escala maior. A equipe ECOSWING prevê futuros geradores supercondutores produzindo 10 MW ou mais.




quarta-feira, 8 de agosto de 2018

Cabos supercondutores batem recorde de potência



O cabo supercondutor de corrente contínua (direita), em comparação com um cabo supercondutor tradicional (esquerda).[Imagem: Best Paths/Divulgação]


As soluções tecnológicas para fios supercondutores estão estabelecendo novos recordes, abrindo caminho para sua adoção prática.
Um consórcio reunindo especialistas de 10 países europeus, de universidades e empresas privadas, apresentaram seu mais recente feito, um sistema de cabos supercondutores de corrente contínua que inclui isolantes e terminais de alta tensão.
O cabo supercondutor conduz até 3,2 GW de energia elétrica, o que é 500 vezes mais eletricidade do que se pode transmitir usando fios de cobre, e é um melhoramento significativo em relação ao cabo supercondutor apresentado pela mesma equipe em 2016.
“Pela primeira vez, projetamos um sistema de cabos supercondutores de alta tensão capaz de operar em corrente contínua, enquanto todos os projetos existentes lidam apenas com corrente alternada. A tarefa mais desafiadora é gerenciar a conexão entre o cabo e a rede existente usando terminais de alta voltagem. Isto irá definir os padrões do futuro para redes de alta tensão,” disse Christian Eric Bruzek, gerente do projeto.
Outra inovação da tecnologia supercondutora apresentada pelo consórcio é que o cabo é fabricado usando diboreto de magnésio como material supercondutor, que é mais barato de produzir do que materiais à base de ítrio, por exemplo, usado no recorde mundial de corrente elétrica batido por um supercondutor há alguns anos.


Detalhe do cabo supercondutor usado nos testes pela equipe alemã. [Imagem: ITEP/KIT]


A disponibilidade de novos cabos supercondutores de menor custo e alto desempenho também está sendo crucial para um projeto realizado na Alemanha, que pretende mudar a forma de interligação dos linhões, as grandes redes de distribuição que trazem a eletricidade das usinas, com as redes urbanas.
Engenheiros do Instituto Karlsruhe de Tecnologia já estão com um projeto pronto para usar cabos supercondutores subterrâneos para fazer o caminho final entre as torres de distribuição e as subestações urbanas.
A proposta do projeto Ensure é baseada em conceitos de cabos e sistemas de refrigeração - os cabos supercondutores funcionam a temperaturas criogênicas - especialmente projetados para a tensão de 380 kilovolts (kV).
“Este é um grande desafio técnico porque a tecnologia de supercondutor nunca foi usada antes neste nível de tensão,” explica o professor Mathias Noe, coordenador do projeto. “Demonstramos agora que isso é tecnicamente viável com nossos novos conceitos de cabos”.
O sistema de cabos está sendo projetado para uma potência contínua de 2.300 megawatts (MW). As perdas sob uma alta carga de corrente são significativamente menores do que as de uma linha acima do solo ou de cabos convencionais com condutores de cobre.




sexta-feira, 20 de julho de 2018

Brasileiros avançam na compreensão da supercondutividade


Com informações da Agência Fapesp -  25/06/2018

Além de cabos supercondutores para transmissão de energia, há grande expectativa sobre os chips supercondutores.[Imagem: Sander Münster, Kunstkosmos]

Temperaturas dos supercondutores
Descoberto acidentalmente há mais de um século, o fenômeno da supercondutividade continua a prometer uma revolução tecnológica.
Foi em 1911, ao estudar o comportamento do metal mercúrio quando resfriado à temperatura de 4 K (-269 °C), que o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observou, pela primeira vez, a propriedade que alguns materiais possuem de conduzir a corrente elétrica sem resistência nem perdas, nas vizinhanças do zero absoluto.
Na década de 1980, o interesse pelo assunto se renovou quando se obteve experimentalmente a supercondutividade em temperaturas relativamente mais altas, da ordem de 90 K (-183 °C). Esse número tem sido superado de forma consistente: Em 2015, uma equipe alemã apresentou um supercondutor "quente" que trabalha a -70 °C.

Transição de Mott
Mas o que realmente motiva esse campo de pesquisas é a busca pela realização da supercondutividade a temperatura ambiente.
É nesse contexto que se insere um estudo realizado por físicos da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro (SP), em colaboração com a Universidade Paris Sul, na França.
Em diversos materiais, a fase supercondutora se manifesta na proximidade da chamada 'fase isolante de Mott' [Nevill Francis Mott (1905-1996)]. A transição metal-isolante de Mott é uma mudança abrupta na condutividade elétrica que ocorre a uma dada temperatura quando a repulsão de Coulomb entre os elétrons se torna comparável à energia cinética dos elétrons livres.
"Quando a repulsão de Coulomb passa a ser relevante, os elétrons, antes itinerantes, se tornam localizados, minimizando assim a energia total do sistema. Essa localização eletrônica constitui a 'fase isolante de Mott'. Em alguns casos, um processo ainda mais exótico acontece. Devido às interações entre elétrons ocupando sítios vizinhos da rede, os elétrons se rearranjam na rede de maneira não homogênea. Ocorre, então, a chamada 'fase de ordenamento de carga'. Nosso estudo tratou desse tipo de fenômeno," explicou o professor Valdeci Pereira de Souza, coordenador da pesquisa.
Quando ocorre a fase de ordenamento de carga, a distribuição não homogênea das cargas, por vezes acompanhada de uma distorção da rede cristalina, faz com que o material passe a exibir uma polarização elétrica e, consequentemente, um comportamento ferroelétrico. É a chamada "fase ferroelétrica de Mott-Hubbard" [John Hubbard (1931-1980)].

Sais de Fabre
Para explorar experimentalmente essas fases exóticas, os pesquisadores da Unesp trabalharam com os chamados "sais de Fabre", materiais formados a partir de uma molécula orgânica, a TMTTF (tetrametiltetrathiafulvaleno), que apresenta uma configuração simétrica, com uma ligação dupla de carbono no centro e dois radicais metil de cada lado. O material foi estudado em um criostato, que permite alcançar um ponto frio e magnético, com temperatura de 1,4 Kelvin e campo de 12 Teslas.
"Com tal ferramenta experimental, nos propusemos não apenas a caracterizar materiais, embora isso seja importante, mas a investigar propriedades fundamentais da matéria, que se manifestam em condições extremas. Os sais de Fabre apresentam diagramas de fase extremamente ricos para quem empreende esse tipo de pesquisa. Os referidos sistemas moleculares já haviam sido explorados por meio de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho e outras técnicas. O que fizemos essencialmente foi medir sua constante dielétrica no regime de baixas frequências," disse Mariano.
Vale lembrar que a constante dielétrica varia de material para material e, embora seja uma grandeza macroscópica, nos diz quão polarizável um material pode ser.
      “Tendo em vista que os sais de Fabre são materiais altamente anisotrópicos, ou seja, com propriedades de transporte que dependem expressivamente da direção cristalográfica, quando o ordenamento de carga ocorre, temos a polarização elétrica de Mott-Hubbard ao longo da pilha de moléculas [TMTTF] que formam o material. Tal polarização é expressiva e já havia sido reportada na literatura em 2001. Em nosso novo trabalho, medimos pela primeira vez a contribuição iônica para a constante dielétrica nestes materiais. Verificamos que, à medida que se reduz a temperatura, a contribuição iônica também diminui dando lugar à fase de Mott-Hubbard. Esta foi uma observação nova, sem registro na literatura científica, uma contribuição genuinamente nossa,” finalizou Mariano.


Bibliografia:

Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts. Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian, Jean-Paul Pouget. Physical Review B. 
DOI: 10.1103/PhysRevB.97.045122
https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf




quarta-feira, 28 de março de 2018

Google apresenta processador quântico de 72 qubits


Redação do Site Inovação Tecnológica -  07/03/2018

À esquerda, o protótipo do Bristlecone. À direita, um esquema do processador onde cada X representa um qubit, com as conexões aos qubits mais próximos. [Imagem: Google Labs]


Engenheiros do Quantum AI Lab, o laboratório do Google responsável pelas pesquisas em computação quântica e outras tecnologias avançadas, apresentaram seu mais novo processador quântico. O processador, batizado de Bristlecone, tem 72 qubits do tipo supercondutor.
A empresa afirma que o objetivo deste protótipo é funcionar como plataforma de testes para melhorar as taxas de correção de erros, um dos grandes desafios da computação quântica, e a escalabilidade, ou seja, a engenharia necessária para ir acrescentando bits quânticos adicionais.
Na verdade, o Bristlecone já é um escalonamento de uma versão anterior de 9 qubits. Essa versão anterior apresentou taxas de erro consideradas baixas: 1% na leitura dos valores gravados, 0,1% na confiabilidade das portas de um qubit e, mais importante em termos práticos, 0,6% nas portas de dois qubits.
O consenso entre os pesquisadores da área é que a chamada "supremacia quântica", o ponto a partir do qual os processadores quânticos podem superar os processadores eletrônicos clássicos, será alcançada com um processador quântico de pelo menos 49 qubits que apresente uma taxa de erro máxima de 0,5%.
Como servirá como plataforma de testes, a empresa ainda não anunciou as taxas de erro do Bristlecone. De qualquer forma, a opção por aumentar largamente o número de qubits, sem se limitar aos 49 qubits que a teoria aponta como fronteira para a supremacia quântica, como fez a Intel recentemente, dá aos projetistas um campo mais amplo para experimentações e testes.
“Nós escolhemos um dispositivo deste tamanho para podermos demonstrar a supremacia quântica no futuro, para investigar a correção de erros de primeira e segunda ordens usando código de superfície, e para facilitar o desenvolvimento de algoritmos quânticos em um hardware real,” anunciou o Google.
Código de superfície é uma técnica de programação de processadores quânticos que usa códigos estabilizadores compostos de qubits dispostos em duas dimensões, reduzindo significativamente as taxas de erro. Uma técnica alternativa, embora similar, é o chamado código de cores.
“Pode-se pensar, por analogia, no código de superfície como um guardanapo com duas partes ásperas e duas lisas, e o código de cores como se dobrássemos esse guardanapo ao longo de sua diagonal. Como no guardanapo dobrado existem coisas novas que agora estão próximas, é possível fazer mais portas lógicas 'transversalmente'. Isso é bom porque evita a propagação de erros e é relativamente fácil. No entanto, o código de cor precisa de mais qubits para interagir em cada estabilizador, o que acaba levando a um limiar de ruído mais baixo. Assim, pode-se dizer que, embora muito similares, cada código tem suas vantagens e desvantagens,” explicou o professor Fernando Pastawski, do Instituto de Tecnologia da Califórnia.

Relação teórica entre a taxa de correção de erros e o número de qubits. A área em vermelho destaca o objetivo da equipe do Google. [Imagem: Google Labs]


“Queremos alcançar um desempenho semelhante às melhores taxas de erro do processador de 9 qubits, mas agora em todos os 72 qubits do Bristlecone. Acreditamos que o Bristlecone pode então se tornar uma prova de princípio convincente para a construção de computadores quânticos em grande escala. Operar um dispositivo como o Bristlecone com baixas taxas de erro requer uma harmonia entre uma porção de tecnologias, do software e da eletrônica de controle ao próprio processador. Fazer isso direito requer uma engenharia de sistemas cuidadosa em várias iterações. Estamos cautelosamente otimistas de que a supremacia quântica pode ser alcançada com o Bristlecone,” disse a equipe do Google em nota.



domingo, 11 de março de 2018

Primeiro supercondutor topológico usa partículas de Majorana como qubits



Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/03/2018


As placas de alumínio foram anexadas ao isolador topológico usando platina. A imagem mostra um dos dispositivos usados no experimento. Devido ao estresse, induzido por vários resfriamentos, apareceram saliências vistas claramente no intervalo do dispositivo. Isto faz com que as características dos pares supercondutores de elétrons variem em diferentes direções, uma assinatura de supercondutividade não-convencional. [Imagem: Chalmers University]



Os férmions de Majorana nem bem saíram da teoria e já começam a ajudar a computação quântica a combater um dos seus principais problemas: a decoerência, que é a perda dos dados que ocorre quando a interferência externa faz com que os qubits decaiam de seus estados quânticos entrelaçados ou superpostos.
Com sua insensibilidade característica à decoerência, essas partículas de Majorana estão se tornando o centro das atenções para a construção de qubits estáveis - a Microsoft está tentando desenvolver esse tipo de computador quântico.
As partículas de Majorana são partículas fundamentais que, assim como os elétrons, nêutrons e prótons, pertencem ao grupo dos férmions. Elas podem ser entendidas de forma muito simplificada como um “meio elétron. E, ao contrário de todos os outros férmions, os férmions de Majorana são sua própria antipartícula.
O problema é que eles só ocorrem em circunstâncias muito especiais, o que explica porque, mesmo previstos por Ettore Majorana em 1937, só foram demonstrados na prática em 2012.
Agora, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, conseguiram fabricar um componente capaz de hospedar as partículas de Majorana, o que significa que torna-se possível usá-las na prática.
Nos materiais de estado sólido, os férmions de Majorana só parecem ocorrer nos chamados supercondutores topológicos - um tipo de supercondutor que é tão novo e especial que pode-se dizer que não haviam provas inequívocas de que ele existisse de verdade.
Sophie Charpentier e seus colegas estão entre os primeiros grupos de pesquisa no mundo a divulgar resultados experimentais indicando que eles realmente conseguiram fabricar um supercondutor topológico.
A equipe começou trabalhando com um isolante topológico - que não é supercondutor - feito de telureto de bismuto (Be2Te3). Um isolante topológico é basicamente um isolador, ou seja, não conduz corrente elétrica em seu interior - contudo, ele conduz a corrente na sua superfície.



O segredo do supercondutor topológico está na camada na junção dos materiais. [Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]



Sobre o isolante topológico, a equipe usou platina para adicionar uma camada de um supercondutor convencional por cima, neste caso o alumínio, que conduz a corrente totalmente sem resistência a temperaturas muito baixas.
Enquanto fazia testes e medições, a equipe precisou resfriar o material várias vezes e esses ciclos de resfriamento repetidos parecem ter gerado tensões no material, o que fez com que a supercondutividade alterasse suas propriedades.
“Os pares de elétrons supercondutores passaram a vazar para o isolante topológico, que também se torna supercondutor,” explicou o professor Thilo Bauch. E esse comportamento representa a característica típica de um supercondutor topológico, onde os férmions de Majorana sentem-se à vontade para não se destruírem mutuamente.
“Para aplicações práticas, o material é principalmente de interesse para aqueles que estão tentando construir um computador quântico topológico. Nós queremos explorar a nova física que se esconde nos supercondutores topológicos - este é um novo capítulo da física,” disse a professora Floriana Lombardi, coordenadora da equipe.



Bibliografia
Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Nature Communications. Vol.: 8, Article number: 2019. DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z.




segunda-feira, 5 de fevereiro de 2018

Os físicos encontraram pistas sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura (Physicists find clues to the origins of high-temperature superconductivity)






Conversão entre correlações de elétrons incoerentes e coerentes nos estados não supercondutor e supercondutor de cupratos, respectivamente. Crédito: Li et al. Nature Communications.


Desde a descoberta dos cupratos em 1986, têm havido confusão entre os pesquisadores. Os cupratos possuem temperaturas críticas de até 138K à pressão ambiente, o que excede a de outros supercondutores e é ainda maior do que o que se pensava possível com base na teoria.
Agora, em um novo estudo, os pesquisadores descobriram a existência de um ciclo de feedback positivo que aumenta a supercondutividade dos cupratos e pode lançar luz sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura - considerada uma das questões mais importantes abertas na física.
O mecanismo decorre do fato de que os elétrons (no cuprato) no estado não supercondutor estão correlacionados de forma diferente do que na maioria dos outros sistemas, inclusive em supercondutores convencionais, que possuem correlações de elétrons fortemente coerentes. Em contrapartida, os cupratos em seu estado não supercondutor possuem correlações “metálico-estranhas” fortemente incoerentes, que são parcialmente removidas ou enfraquecidas quando os cupratos se tornam supercondutores.
Devido a estas correlações de elétrons incoerentes, acredita-se amplamente que o quadro que descreve a supercondutividade convencional - que se baseia na noção de quasipartículas - não pode descrever com precisão a supercondutividade dos cupratos. Na verdade, algumas pesquisas sugerem que os cupratos supercondutores possuem propriedades eletrônicas tão incomuns que, mesmo tentando descrevê-las com a noção de partículas de qualquer tipo, torna-se inútil.
Isso leva à questão de qual papel, se houver, as correlações “metálico-estranhas” desempenham na supercondutividade de alta temperatura?
O resultado principal do novo estudo é que essas correlações simplesmente não desaparecem no estado supercondutor em cupratos, mas sim converte-se em correlações coerentes que levam a um aprimoramento do emparelhamento de elétrons supercondutores. Este processo resulta em um ciclo de feedback positivo, no qual a conversão das correlações “metálico-estranhas” incoerentes em um estado coerente aumenta o número de pares de elétrons supercondutores, o que, por sua vez, leva a mais conversão, e assim por diante.
Os pesquisadores descobriram que, devido a este mecanismo de feedback positivo, a força das correlações de elétrons coerentes no estado supercondutor é sem precedentes, superando o que é possível para os supercondutores convencionais. Uma interação de elétrons tão forte também abre a possibilidade de que a supercondutividade nos cupratos possa ocorrer devido a um mecanismo de emparelhamento completamente não convencional - um mecanismo de emparelhamento puramente eletrônico que poderia surgir unicamente devido a flutuações quânticas.
“Nós descobrimos experimentalmente que as correlações de elétrons incoerentes no ‘estado normal’ do metal estranho são convertidas em correlações coerentes no estado supercondutor que ajudam a fortalecer a supercondutividade, com um loop de feedback positivo subseqüente”, afirma Dan Dessau, co-autor da pesquisa. “Um loop de feedback positivo tão forte deve fortalecer os mecanismos de emparelhamento mais convencionais, mas também pode permitir um mecanismo de emparelhamento verdadeiramente não convencional (puramente eletrônico)”.
Surpreendentemente, os pesquisadores também descobriram que poderiam descrever seus resultados experimentais usando uma abordagem semi-convencional de quase partículas, apesar do fato de que os cupratos se comportam de forma tão diferente dos outros materiais.
No futuro, os pesquisadores planejam investigar se este mecanismo de feedback positivo pode ser integrado em outros materiais, talvez levando a novos tipos de supercondutores de alta temperatura.
“Nós podemos procurar loops de feedback positivos semelhantes em materiais relacionados, e também podemos usar as técnicas recém-desenvolvidas baseadas em ARPES para investigar os detalhes das correlações eletrônicas de forma mais precisa”, disse Li.




sexta-feira, 26 de janeiro de 2018

Intel apresenta processador quântico com 49 qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/01/2018



Processadores quânticos da Intel: com 7, 17 e, agora, à direita, com 49 qubits supercondutores. [Imagem: Walden Kirsch/Intel]


A Intel apresentou um processador quântico de 49 qubits, acertando em cheio o limite teórico que vem colocando entraves para os computadores e simuladores quânticos.
O processador foi batizado de Tangle, em homenagem a um lago de mesmo nome no Alasca e uma referência à temperatura criogênica que os qubits supercondutores precisam para funcionar.
Como existem vários desafios para a miniaturização dos qubits supercondutores, a Intel anunciou também que está fazendo progressos nos qubits de spin, nos quais as informações são guardadas na direção de rotação de elétrons individuais, um campo onde computação quântica e spintrônica se confundem.
Os qubits spintrônicos se parecem com um transístor que opera com um único elétron, sendo similares em vários aspectos aos transistores convencionais. Isso significa que eles podem ser miniaturizados usando a tecnologia tradicional da microeletrônica e serem fabricados por processos comparáveis. A Intel anunciou que já desenvolveu um fluxo de fabricação de qubits de spin usando sua tecnologia de processo de 300 mm.
Infelizmente, a empresa não deu quaisquer detalhes sobre o desempenho do seu processador com qubits supercondutores e nem adiantou com quantos qubits de spin seus engenheiros estão trabalhando. Sem informações, analistas da indústria acreditam ser seguro dizer que outros participantes dessa corrida pela computação quântica, como IBM e Google, estão à frente.
A gigante dos processadores eletrônicos, às voltas com um bug que deverá lhe custar milhões de dólares na Justiça, achou melhor desconversar: “Acreditamos que serão necessários de cinco a sete anos antes que a indústria consiga lidar com os problemas de engenharia e provavelmente será necessário um milhão ou mais qubits para obter relevância comercial,” disse Mike Mayberry, diretor do Intel Labs.
Segundo a empresa, um processador quântico de teste de 49 qubits é um marco importante porque permitirá avaliar e melhorar as técnicas de correção de erros e simular problemas computacionais reais.



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