Supercondutores a temperatura ambiente já estão na prancheta

Redação do Site Inovação Tecnológica - 13/11/2019

Os hidretos supercondutores estão prestes a romper a barreira da supercondutividade a temperatura ambiente. Os supercondutores "originais" (BCS) são representados por círculos verdes, os férmions pesados por estrelas verdes, os alótropos de carbono por triângulos vermelhos, os fulerenos por triângulos roxos, ferrosos por quadrados alaranjados e cupratos por diamantes azuis. A temperatura ambiente (room temperature) está no alto à direita. [Imagem: P.J.Ray - CC BY-SA 4.0]

Supercondutor a temperatura ambiente

Podemos estar mais perto de alcançar a supercondutividade à temperatura ambiente do que todos previam.

A supercondutividade é a ausência de resistência elétrica em um condutor. Como a resistência torna todos os sistemas elétricos menos eficientes, eliminar ao menos parte dessa resistência utilizando supercondutores de temperatura ambiente deverá revolucionar toda a geração, transmissão e uso da eletricidade.

Nos últimos dois meses, duas equipes independentes correram para disponibilizar seus resultados entusiasmantes. Como a revisão pelos pares nas publicações científicas demora bastante, os dois grupos anteciparam rascunhos de seus trabalhos no repositório aberto arXiv.

As duas equipes, uma do Instituto de Ciência e Tecnologia Skolkovo, na Rússia, e outra do Instituto Max Planck de Química, na Alemanha, trabalharam com um material à base do elemento químico ítrio.

Nenhum dos dois grupos conseguiu ainda sintetizar seu composto, mas há tempos o campo da supercondutividade tem trabalhado assim, com previsões teóricas guiando os experimentalistas na síntese do material previsto, algo que por vezes acontece muito rapidamente.

Foi assim no início deste ano, quando uma equipe norte-americana flagrou a supercondutividade a meros -13º C, embora a pressões muito elevadas.

Supercondutores de ítrio e tório

Ivan Troyan e seus colegas calcularam que um super-hidreto de ítrio, o YH₁₀, atingirá a fase supercondutora a 53°C. “Tentamos muitas vezes, encontramos uma maneira de produzir YH₆. Mas o YH₁₀ será o próximo passo”, contou o professor Artem Oganov, coordenador da equipe.

A temperatura crítica (Tc) abaixo da qual o YH₆ se tornou supercondutor foi de -49,15º C a 166 GPa, cerca de 1,6 milhão de vezes a pressão atmosférica.

O hiato supercondutor e a superfície de Fermi do YH₁₀ e do YH₆, mostrando os elétrons que participam do emparelhamento supercondutor. [Imagem: ACS (2019)]

Poucas semanas depois, a equipe alemã liderada pelo professor Mikhail Eremets relatou uma Tc (temperatura crítica) de -46,15º C a 237 GPa para o mesmo YH₆. Mas eles têm uma vantagem porque já conseguiram sintetizar o YH₉.

“A história do hidreto de ítrio ainda não terminou,” destacou Eremets. “Pessoalmente, não tenho dúvidas de que o YH₁₀ será produzido, provavelmente muito em breve," concordou Oganov, “seja por nós, seja por Eremets ou por algum outro [grupo de pesquisa]”.

Mostrando avanços em outra linha, a equipe de Oganov acaba de publicar também resultados promissores com compostos do elemento tório, com o hidreto ThH₁₀, este sim, já sintetizado, atingindo a supercondutividade a -112,15º C, mostrando que o ítrio não é um caso isolado, e que as pesquisas vão avançar também por outras rotas.

Bibliografia:

Artigo: Synthesis and Superconductivity of Yttrium Hexahydride Im3¯m-YH6.
Autores: I. A. Troyan, D. V. Semenok, A. G. Kvashnin, A. G. Ivanova, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, A. G. Gavriliuk, I. S. Lyubutin, V. V. Struzhkin, A. R. Oganov
Revista: arXiv
DOI: 10.1016/j.mattod.2019.10.005
Link: https://arxiv.org/abs/1908.01534

Artigo: Superconductivity up to 243 K in yttrium hydrides under high pressure
Autores: P. P. Kong, V. S. Minkov, M. A. Kuzovnikov, S. P. Besedin, A. P. Drozdov, S. Mozaffari, L. Balicas, F. F. Balakirev, V. B. Prakapenka, E. Greenberg, D. A. Knyazev, M. I. Eremets
Revista: arXiv
Link: https://arxiv.org/abs/1909.10482

Artigo: Superconductivity at 161 K in thorium hydride ThH10: Synthesis and properties
Autores: Dmitry V. Semenok, Alexander G. Kvashnin, Anna G. Ivanova, Volodymyr Svitlyk, Vyacheslav Yu. Fominski, Andrey V. Sadakov, Oleg A. Sobolevskiy, Vladimir M. Pudalov, Ivan A. Troyan, Artem R. Oganov
Revista: Materials Today

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutores-temperatura-ambiente-ja-estao-prancheta&id=010115191113&ebol=sim#.XdoAQOhKiDI

Geladeira supercondutora chegará perto do zero absoluto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/07/2019

Em vez de um refrigerante que oscila entre os estados líquido e gasoso, o refrigerador quântico emparelha e desemparelha os pares de elétrons em materiais supercondutores. [Imagem: Michael Osadciw/Universidade de Rochester]

Refrigerador definitivo

Imagine uma geladeira tão fria que possa levar átomos aos seus estados fundamentais, perto do zero absoluto. Sreenath Manikandan e colegas dos EUA e da Itália conceberam um refrigerador com essa capacidade usando as propriedades da supercondutividade. Eles batizaram o equipamento de “geladeira quântica” porque tanto as propriedades da supercondutividade utilizadas, quanto os efeitos gerados nos átomos individuais assim congelados, são ditados pela mecânica quântica.

O ambiente ultrafrio produzido é propício para gerar os efeitos necessários para aprimorar as tecnologias quânticas, por exemplo, tentando levar diferentes materiais para seu estado supercondutor, ou testando qubits para avaliar as melhores tecnologias para os futuros computadores quânticos.

Geladeira comum

Embora os refrigeradores quânticos supercondutores não sirvam para uso na cozinha, seu princípio operacional é bastante semelhante: as geladeiras tradicionais não funcionam tornando seu conteúdo mais frio, mas removendo o calor, tirando-o de seu interior e levando-a para outra região no espaço, neste caso, o lado de fora da geladeira.

Isto é feito movendo um fluido - o refrigerante - entre reservatórios quentes e frios, e mudando seu estado de líquido para gasoso. O refrigerante em estado líquido passa por uma válvula de expansão, que diminui sua pressão e temperatura à medida que a expansão o faz passar para o estado gasoso. O refrigerante agora frio passa através dos canos em formato de bobina do evaporador no interior da caixa da geladeira, absorvendo o calor desse ambiente fechado. O refrigerante é então novamente comprimido por um compressor alimentado por eletricidade, elevando ainda mais sua temperatura e pressão e transformando-o de um gás em um líquido quente. O líquido quente condensado, mais quente que o ambiente externo, flui através das serpentinas do condensador na parte externa da geladeira, irradiando calor para o meio ambiente. O líquido então reentra na válvula de expansão e o ciclo se repete.

Como se poderia esperar, o refrigerador quântico é minúsculo, do tamanho de um chip, mas o suficiente para guardar suas partículas atômicas e subatômicas. [Imagem: Manikandan et al. - 10.1103/PhysRevApplied.11.054034]

Geladeira quântica supercondutora

A geladeira supercondutora é parecida. No entanto, em vez de um refrigerante que passa de um estado líquido para gasoso, ela usa os chamados pares de Cooper - elétrons que viajam emparelhados e parecem explicar o próprio fenômeno da supercondutividade - fazendo-os emparelhar e desemparelhar.

“Estamos fazendo exatamente a mesma coisa que uma geladeira tradicional, mas com um supercondutor,” explicou Manikandan.

Em vez de serpentinas, válvulas e um compressor, tudo acontece em uma pilha de metais dispostos em camadas, colocados dentro de uma geladeira de diluição criogênica, já fria.

A camada inferior da pilha é uma folha de nióbio supercondutor, que funciona como um reservatório quente, semelhante ao ambiente externo de um refrigerador tradicional. A camada intermediária é tântalo supercondutor, que é a substância de trabalho, semelhante ao refrigerante da geladeira tradicional. A camada superior é de cobre, que é o reservatório frio, semelhante ao interior da geladeira tradicional.

Quando uma corrente elétrica é aplicada paulatinamente ao nióbio, produz-se um campo magnético que penetra na camada de tântalo, fazendo com que seus elétrons supercondutores se emparelhem, fazendo a transição para seu estado normal e perdendo calor. A camada de tântalo agora fria absorve o calor da camada de cobre, que se torna mais quente.

O campo magnético é então lentamente desligado, fazendo com que os elétrons no tântalo se emparelhem e voltem a se transformar em um estado supercondutor, e o tântalo fica mais quente que a camada de nióbio. O excesso de calor é então transferido para o nióbio. O ciclo se repete, mantendo uma temperatura baixa na camada superior de cobre.

Mas como a substância de trabalho no refrigerador quântico é um supercondutor, “são os pares de Cooper no cobre que desemparelham e ficam mais frios quando você aplica um campo magnético lentamente a temperaturas muito baixas, levando o atual refrigerador de última geração [a geladeira de diluição criogênica] a um patamar fundamental e arrefecendo-a ainda mais,” explicou Manikandan.

Utilidades do refrigerador quântico supercondutor

Em vez de armazenar alimentos, a geladeira quântica supercondutora poderá ser usada para armazenar coisas como qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, que precisam ser superfrios para não sofrerem interferências e perderem os dados.

Essa geladeira também será útil para resfriar sensores quânticos, que medem a luz de forma muito eficiente e são fundamentais em sensores muito delicados, como os usados nos telescópios, ou para fazer imagens de tecidos profundos usando aparelhos de ressonância magnética.

Bibliografia

Artigo: Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles
Autores: Sreenath K. Manikandan, Francesco Giazotto, Andrew N. Jordan.

Revista: Physical Review Applied.

Vol.: 11, 054034.

DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054034.

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=geladeira-supercondutora-chegara-perto-zero-absoluto&id=010170190710&ebol=sim#.XTMdEehKiDJ

Novo qubit robusto promete processador quântico em escala industrial

Redação do Site Inovação Tecnológica -20/05/2019

Foto do protótipo e esquema do qubit baseado nos férmions de Majorana. [Imagem: Antonio Fornieri/Universidade de Copenhagen]

Qubit plano

Uma equipe da Dinamarca e dos EUA, liderada pelo professor Antonio Fornieri, construiu um chip de memória quântica que promete facilitar a fabricação dos computadores quânticos em larga escala.

Vários grupos estão tentando há anos construir um protótipo de computador quântico que a indústria possa escalonar, mas os blocos fundamentais da computação quântica, os qubits, ainda não são robustos o suficiente para funcionar no ambiente cheio de ruído de um computador de grande porte.

Uma teoria desenvolvida há apenas dois anos propôs uma maneira de tornar os qubits mais resilientes mediante uma combinação de um semicondutor, o arseneto de índio, com um supercondutor, o alumínio, em um dispositivo planar.

Agora, essa teoria foi confirmada experimentalmente e, melhor ainda para o escalonamento dos qubits, em um componente plano, como as bolachas de silício usadas para fizer os chips atuais, e robusto, graças às propriedades protetoras da combinação do semicondutor com o supercondutor.

“Nosso protótipo é um primeiro passo significativo no uso deste tipo de sistema para fazer bits quânticos que são protegidos contra perturbações. No momento, ainda precisamos de alguns ajustes - podemos melhorar o projeto e os materiais. Mas é uma estrutura potencialmente perfeita,” afirmou Fornieri.

Qubit de Majorana

O alumínio e o arseneto de índio formaram um dispositivo, chamado junção Josephson, capaz de acomodar partículas de Majorana, que já se previra possuírem proteção topológica contra a decoerência - a decoerência é o fenômeno que marca a perda dos dados registrados em um qubit.

São os chamados férmions de Majorana de modo zero, quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores topológicos, que funcionam como qubits tolerantes a falhas e imunes a ruídos.

Também se sabia que o alumínio e o arseneto de índio funcionam bem juntos porque uma supercorrente pode fluir entre eles, uma vez que, diferentemente da maioria dos semicondutores, o arseneto de índio não possui uma barreira que impeça que os elétrons de um material entrem em outro. Desta forma, a supercondutividade do alumínio pode fazer as camadas superiores do arseneto de índio, que é um semicondutor, funcionarem como supercondutoras - por isso se diz que ele é um supercondutor topológico.

Agora falta montar o qubit plano junto a um processador quântico para checar sua robustez e, se tudo der certo, começar a fabricá-lo em larga escala.

Hoje, trilhões de transistores, as unidades básicas dos processadores eletrônicos, são postos nas pastilhas planas de silício. A expectativa é que o mesmo torne-se realidade para os computadores quânticos, com milhões de qubits operando harmoniosamente em dispositivos miniaturizados e fabricados em escala industrial.

Bibliografia:

Evidence of Topological Superconductivity in Planar Josephson Junctions. Antonio Fornieri, Alexander M. Whiticar, F. Setiawan, Elías Portolés, Asbjørn C. C. Drachmann, Anna Keselman, Sergei Gronin, Candice Thomas, Tian Wang, Ray Kallaher, Geoffrey C. Gardner, Erez Berg, Michael J. Manfra, Ady Stern, Charles M. Marcus, Fabrizio Nichele.
Nature, Vol.: 569, pages 89-92.

DOI: 10.1038/s41586-019-1068-8

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=novo-qubit-robusto-promete-processador-quantico-escala-industrial&id=010110190520&ebol=sim#.XOtAv4hKiDI

Impulsionando a supercondutividade para temperatura ambiente

Eva Zurek , Departamento de Química, Universidade de Buffalo, SUNY, Buffalo NY, EUA

Dois estudos independentes relatam a supercondutividade a temperaturas recordes em materiais ricos em hidrogênio sob extrema pressão.

Figura 1. Esquema (à esquerda) da bigorna de diamante usada para estudar o comportamento do LaH₁₀ sob alta pressão. (Direita) Esboço da estrutura cristalina em forma do LaH₁₀ responsável pela supercondutividade de alta temperatura observada por Hemley[2] e Eremets[3]. (Esquerda) APS/Alan Stonebraker; (Direita) E. Zurek, adaptado por APS/Alan Stonebraker.

     Em 2015, a compressão do sulfeto de hidrogênio a 150GPa, ou cerca de 40% da pressão encontrada no núcleo da Terra, rendeu um supercondutor de 203K [1]. Notavelmente, dois grupos independentes [2,3] relataram experimentos indicando que um hidreto de lantânio comprimido a 170-185GPa tem uma temperatura crítica de 250-260K [2,3].

     Em 1968, o físico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio metálico deveria ter todas as propriedades necessárias para ser um supercondutor de alta temperatura, de acordo com a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) [4]. Infelizmente, a metalização do hidrogênio em experimentos de compressão mostrou-se extremamente difícil. Ashcroft previu ainda que certos sólidos ricos em hidrogênio poderiam se tornar metálicos a pressões mais baixas do que o hidrogênio elementar e que eles teriam as mesmas propriedades da supercondutividade de alta temperatura [5]. Essa hipótese catalisou a busca pela supercondutividade em hidretos sob altas pressões.

     Para estudar a supercondutividade nesses materiais sob gigantescas pressões, os pesquisadores precisam realizar experimentos em bigornas de diamante. Esses experimentos são caros, tecnicamente desafiadores e podem ser difíceis de interpretar. Além disso, as fases do material que são estáveis ​​sob alta pressão podem ser diferentes daquelas que sabemos ocorrer em condições atmosféricas. Como resultado, os cálculos baseados em mecânica quântica tornaram-se extremamente importantes para orientar esses experimentos, em particular por meio da identificação de compostos promissores [6].

     Na última década, essas técnicas teóricas e computacionais se concentraram em hidretos binários. Pesquisadores calcularam valores extremamente altos, alguns até superando a temperatura ambiente para hidretos contendo metais alcalino-terrosos ou metais de terras raras [7]. Em 2017, grupos liderados por Hemley [8] e Yanming Ma [9] previram que certos hidretos de terras raras com uma grande relação hidrogênio-metal se tornariam estáveis ​​a pressões alcançáveis ​​em bigornas de diamante. Esses materiais ricos em hidrogênio têm estruturas cristalinas que lembram as estruturas semelhantes a gaiolas. Um dos hidretos mais promissores, o hidreto de lantânio (LaH₁₀), consiste de uma rede de hidrogênio feita de poliedros com faces quadradas ou hexagonais, com um átomo de metal de terras raras situado no centro de cada poliedro. Assumindo que este sistema pode ser descrito pela teoria BCS, os pesquisadores previram a sua temperatura crítica situada entre 270 e 290K a 200GPa [8,9].

     No início de 2018, o grupo de Hemley conseguiu sintetizar o LaH₁₀ [10]. Agora, as equipes de Hemley [2] e Eremet [3] relataram assinaturas experimentais da supercondutividade no LaH₁₀ sob pressões extremas. Para medir com precisão a resistência elétrica, os grupos tiveram que garantir contatos confiáveis ​​entre a amostra e os eletrodos e controlar as composições e condições da amostra (por exemplo, impedindo a formação de fases adicionais). O grupo de Hemley desenvolveu uma nova técnica de síntese na qual o LaH₁₀ foi produzido in situ usando borano de amônia (NH₃BH₃) como fonte de hidrogênio. À medida que a amostra foi resfriada sob uma pressão de 185GPa, eles observaram uma queda dramática da resistência elétrica que indicou uma Tc de 260K. Um segundo conjunto de experimentos sugeriu que a Tc poderia chegar a 280K sob pressão de 200GPa. Medições de difração de raios-X sugeriram que a fase supercondutora poderia ser o LaH₁₀ e descartou a possibilidade de que a queda de resistência elétrica tenha sido causada por uma transição estrutural induzida pela temperatura.

     A equipe de Eremets sintetizou o hidreto através de uma reação direta de lantânio elementar ou trihidreto de lantânio (LaH₃) e hidrogênio. Eles observaram quedas acentuadas na resistência, da qual derivaram a Tc em função da pressão. Para o LaH₁₀, o mais alto valor da Tc, 250K, foi medido a 170GPa. Outra fase não identificada do hidreto, que coexistiu com o LaH₁₀ na mesma amostra, exibiu uma Tc de 215K [11]. A equipe de Eremets também observou duas assinaturas características da supercondutividade. Primeiro, a aplicação de um campo magnético reduziu a Tc, como esperado para um supercondutor BCS tipo II. Segundo, a Tc exibiu o chamado efeito isotópico - diminuiu quando o hidrogênio foi substituído por deutério.

     Esses dados são fortemente sugestivos de supercondutividade, mas para provar isso sem sombra de dúvida, seria necessário observar o efeito Meissner - a expulsão de um campo magnético de um material quando ele se torna supercondutor. Medir este efeito é, no entanto, um desafio: para o recordista anterior da Tc, o sulfeto de hidrogênio, o efeito Meissner só foi demonstrado vários anos após a descoberta de sua supercondutividade. Uma vez que as amostras de hidreto de lantânio são significativamente menores do que as amostras do sulfeto de hidrogênio, demonstrar o efeito Meissner para o LaH₁₀ exigirá esforços experimentais substanciais.

     Mais trabalhos teóricos e experimentais serão necessários para identificar as múltiplas redes cristalinas contidas nas amostras. Os dados sugerem fortemente que uma delas é o LaH₁₀, mas a identidade das outras estruturas permanece desconhecida. Esta informação será essencial para compreender a relação entre a estrutura do cristal e a supercondutividade e, possivelmente, revelar novas fases supercondutoras que possam ter uma Tc ainda maior. E o alto valor da Tc do LaH₁₀ certamente motivará os experimentalistas a investigar sistemas similares, como o hidreto de ítrio, cuja previsão da Tc excede a temperatura ambiente [8,9].

     No campo da supercondutividade, a maioria das inovações foi inesperada, desafiando muitas vezes o conhecimento convencional da época. O caso do hidreto mostra que isso está mudando: cálculos teóricos podem ser usados para conceber racionalmente novos materiais que sejam de alta Tc, supercondutores do tipo BCS. Os avanços computacionais permitirão identificar outras espécies complexas que, ao contrário dos hidretos binários, como o LaH₁₀, pode permanecer estável quando descomprimido. E novas técnicas para a síntese e caracterização de cristais permitirão o teste experimental de previsões teóricas. Graças a esse ciclo de retroalimentação entre teoria e experimento, poderemos em breve ter um supercondutor que trabalhe próximo à temperatura ambiente e a pressões que poderiam ser alcançadas em dispositivos muito mais simples que as bigornas de diamante, como as prensas usadas para comprimir pós em comprimidos farmacêuticos.

Fonte: https://physics.aps.org/articles/v12/1

Referências

1. A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, and S. I. Shylin, “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system,” Nature 525, 73 (2015).

2. M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, and R. J. Hemley, “Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures,” Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).

3. A. P. Drozdov et al., “Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures,” arXiv:1812.01561.

4. N. W. Ashcroft, “Metallic hydrogen: A high-temperature superconductor?,” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).

5. N. W. Ashcroft, “Hydrogen dominant metallic alloys: High temperature superconductors?,” Phys. Rev. Lett. 92, 187002 (2004).

6. E. Zurek and W. Grochala, “Predicting crystal structures and properties of matter under extreme conditions via quantum mechanics: The pressure is on,” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2917 (2015).

7. E. Zurek and T. Bi, “High-temperature superconductivity in alkaline and rare earth polyhydrides at high pressure: A theoretical perspective,” J. Chem. Phys. (to be published).

8. H. Liu, I. I. Naumov, R. Hoffmann, N. W. Ashcroft, and R. J. Hemley, “Potential high-Tc superconducting lanthanum and yttrium hydrides at high pressure,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 6990 (2017).

9. F. Peng, Y. Sun, C. J. Pickard, R. J. Needs, Q. Wu, and Y. Ma, “Hydrogen clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures: Possible route to room-temperature superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 119, 107001 (2017).

10. Z. M. Geballe, H. Liu, A. K. Mishra, M. Ahart, M. Somayazulu, Y. Meng, M. Baldini, and R. J. Hemley, “Synthesis and stability of lanthanum superhydrides,” Angew. Chem. Int. Ed. 57, 688 (2018).

11. A. P. Drozdov, V. S. Minkov, S. P. Besedin, P. P. Kong, M. A. Kuzovnikov, D. A. Knyazev, and M. I. Eremets, “Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures,” arXiv:1808.07039.