Pesquisa revela novo estado da matéria: um par de Cooper metálico

por Kevin Stacey, Brown University

Pequenos orifícios em um material supercondutor de alta temperatura revelaram que os pares de Cooper, pares de elétrons que permitem a supercondutividade, também podem conduzir eletricidade da mesma maneira que os metais. Crédito: Valles lab / Brown University

Durante anos, os físicos assumiram que os pares de Cooper, pares de elétrons que permitem aos supercondutores conduzir eletricidade sem resistência, eram pôneis de dois truques. Os pares deslizam livremente, criando um estado supercondutor ou criam um estado isolante, bloqueando o material, incapaz de se mover.

Em novo artigo publicado na Science , uma equipe de pesquisadores mostrou que os pares de Cooper também podem conduzir eletricidade com certa resistência, como fazem os metais comuns. Os resultados descrevem um estado inteiramente novo da matéria, dizem os pesquisadores, que exigirá uma nova explicação teórica.

“Havia evidências de que esse estado metálico surgiria nos filmes finos supercondutores à medida que eram resfriados em direção à temperatura supercondutora, mas se esse estado envolvia ou não pares de Cooper era uma questão em aberto”, disse Jim Valles, professor de física da Brown University e autor do estudo. “Desenvolvemos uma técnica que nos permite testar essa pergunta e mostramos que, de fato, os pares de Cooper são responsáveis ​​pelo transporte de carga nesse estado metálico. O interessante é que ninguém tem certeza de como eles fazem isso. Portanto, essa descoberta exigirá trabalho teórico e experimental para entender exatamente o que está acontecendo”.

Os pares de Cooper agem como bósons, que podem compartilhar o mesmo estado. Esse comportamento bosônico permite que os pares de Cooper coordenem seus movimentos com outros conjuntos de pares de maneira que reduz a resistência elétrica a zero.

Em 2007, Valles, trabalhando com Jimmy Xu, professor de engenharia e física da Brown University, mostrou que os pares de Cooper também podiam produzir estados isolantes e supercondutividade. Em materiais muito finos, em vez de se moverem em conjunto, os pares conspiram para permanecer no lugar, presos em pequenas ilhas dentro do material e incapazes de pular para a próxima ilha.

Para este novo estudo, Valles, Xu e colegas na China procuraram pares de Cooper no estado metálico não supercondutor, usando uma técnica semelhante à que revelou os pares de Cooper isolantes. A técnica envolve a padronização de um filme fino supercondutor - nesse caso, um supercondutor de alta temperatura - óxido de cobre, ítrio e bário (YBCO) - com conjuntos de pequenos orifícios. Quando o material tem uma corrente que passa por ele e é exposto a um campo magnético, os portadores de carga do material orbitam nos orifícios como a água que circula um dreno.

“Podemos medir a frequência com que essas cargas circulam”, afirmou Valles. “Nesse caso, descobrimos que a frequência é consistente com a existência de dois elétrons por vez, em vez de apenas um. Assim, podemos concluir que os portadores de carga nesse estado são pares de Cooper e não elétrons únicos”.

A ideia de que pares de Cooper tipo bósons são responsáveis ​​por esse estado metálico é uma surpresa, dizem os pesquisadores, porque existem elementos da teoria quântica que sugerem que isso não deveria ser possível. Portanto, entender exatamente o que está acontecendo nesse estado pode levar a uma nova e empolgante física, mas serão necessárias mais pesquisas.

Felizmente, dizem os pesquisadores, o fato de esse fenômeno ter sido detectado em um supercondutor de alta temperatura tornará as pesquisas futuras mais práticas. O YBCO começa a superconduzir em torno de -181 graus Celsius, e a fase metálica começa a temperaturas logo acima disso. Está muito frio, mas é muito mais quente que outros supercondutores, que são ativos logo acima do zero absoluto. Essa temperatura mais alta facilita o uso da espectroscopia e outras técnicas destinadas a entender melhor o que está acontecendo nesta fase metálica.

No futuro, dizem os pesquisadores, pode ser possível aproveitar esse estado de metal bosônico para novos tipos de dispositivos eletrônicos.

“O problema dos bósons é que eles tendem a estar mais em estado de onda do que os elétrons, por isso falamos sobre eles terem uma fase e criar interferências da mesma maneira que a luz”, afirmou Valles. “Portanto, pode haver novas modalidades de movimentação de carga nos dispositivos, brincando com a interferência entre bósons”.

Mas, por enquanto, os pesquisadores estão felizes por ter descoberto um novo estado da matéria. “A ciência se baseia em descobertas”, disse Xu, “e é ótimo ter descoberto algo completamente novo”.

Mais informações: Chao Yang et al, Science (2019). DOI: 10.1126 / science.aax5798.

Fonte: https://phys.org/news/2019-11-reveals-state-cooper-pair-metal.html

Estudo descobre bilhões de elétrons quanticamente emaranhados em 'metal estranho'

A radiação Terahertz é usada para analisar o material. Crédito: TU Wien

Em um novo estudo, físicos americanos e austríacos observaram emaranhamento quântico entre “bilhões de bilhões” de elétrons fluindo em um material crítico quântico.

A pesquisa, publicada na Science, examinou o comportamento eletrônico e magnético de um "metal estranho" composto de itérbio, ródio e silício, ao se aproximar e passar por uma transição crítica na fronteira entre duas fases quânticas bem estudadas.

O estudo da Universidade Rice e da Universidade de Tecnologia de Viena (TU Wien) fornece a evidência direta mais forte até o momento, do papel do emaranhamento em promover a criticidade quântica.

”Quando pensamos em entrelaçamento quântico, pensamos em coisas pequenas. Não o associamos a objetos macroscópicos. Mas, em um ponto quântico crítico, as coisas são tão coletivas que temos a chance de ver os efeitos do emaranhamento, mesmo em um filme metálico que contém bilhões de bilhões de objetos da mecânica quântica", afirmou Qimiao Si, da Universidade Rice.

Qimiao Si passou mais de duas décadas estudando o que acontece quando materiais como metais estranhos e supercondutores de alta temperatura alteram as fases quânticas. Uma melhor compreensão desses materiais pode abrir as portas para novas tecnologias em computação, comunicações e muito mais.

A equipe internacional superou vários desafios para obter o resultado. Os pesquisadores desenvolveram uma técnica de síntese de materiais altamente complexa para produzir filmes ultrapuros contendo uma parte de itérbio para cada duas partes de ródio e silício (YbRh₂Si₂). À temperatura do zero absoluto, o material passa por uma transição de uma fase quântica que forma uma ordem magnética para outra que não.

Na Universidade Rice, foram feitos experimentos de espectroscopia terahertz nos filmes em temperaturas tão baixas quanto 1,4 Kelvin. As medições de terahertz revelaram a condutividade óptica dos filmes YbRh₂Si₂, quando eles foram resfriados a um ponto quântico crítico que marcou a transição de uma fase quântica para outra.

“Com metais estranhos, há uma conexão incomum entre resistência elétrica e temperatura”, disse Silke Bühler-Paschen, do Instituto de Física do Estado Sólido da TU Wien. “Ao contrário de metais simples como cobre ou ouro, isso não é observado devido ao movimento térmico dos átomos, mas para flutuações quânticas na temperatura do zero absoluto".

Para medir a condutividade óptica, utilizou-se radiação eletromagnética coerente na faixa de terahertz no topo dos filmes e analisou-se a quantidade de raios terahertz que passavam em função da frequência e da temperatura. Os experimentos revelaram "escala de frequência acima da temperatura", um sinal revelador da criticidade quântica, disseram os autores.

Kono, engenheiro e físico da Brown School of Engineering de Rice, disse que as medições são meticulosas. Por exemplo, apenas uma fração da radiação terahertz que brilhou na amostra passou para o detector, e a medição importante foi quanto essa fração aumentou ou diminuiu em diferentes temperaturas.

“Menos de 0,1% da radiação total terahertz foi transmitida e o sinal, que era a variação da condutividade em função da frequência, representava mais alguns por cento disso”, disse Kono. “Demorou muitas horas para coletar dados confiáveis ​​em cada temperatura para obter uma média de muitas, muitas medições, e foi necessário coletar dados em muitas, muitas temperaturas para provar a existência de escala”.

Fazer os filmes foi ainda mais desafiador. Para torná-los finos o suficiente para transmitir raios terahertz, a equipe desenvolveu um sistema exclusivo de epitaxia por feixe molecular e um procedimento elaborado de crescimento. O itérbio, o ródio e o silício foram simultaneamente evaporados de fontes separadas na proporção exata de 1-2-2. Devido à alta energia necessária para evaporar o ródio e o silício, o sistema exigia uma câmara de vácuo ultra-alta personalizada com dois evaporadores de feixe de elétrons.

“Nosso curinga foi encontrar o substrato perfeito: germânio”, disse Lukas Prochaska, estudante da TU Wien, co-autor do estudo. O germânio era transparente a terahertz e tinha “certas distâncias atômicas (praticamente) idênticas àquelas entre os átomos de itérbio em YbRh₂Si₂, o que explica a excelente qualidade dos filmes”, disse ele.

Qimiao Si lembrou de discutir o experimento com Bühler-Paschen há mais de 15 anos, quando eles estavam explorando os meios para testar uma nova classe de ponto crítico quântico. A marca do ponto crítico quântico que eles estavam avançando com colegas de trabalho é que o emaranhamento quântico entre spins e cargas é crítico.

“Em um ponto crítico quântico magnético, a sabedoria convencional determina que apenas o setor de spin será crítico”, disse ele. “Mas se os setores de cargas e spins são quanticamente emaranhados, o setor de cargas também acabará sendo crítico”.

Na época, a tecnologia não estava disponível para testar a hipótese, mas em 2016 a situação havia mudado. TU Wien podia cultivar os filmes, Rice havia recentemente instalado um poderoso microscópio que os examinava quanto a defeitos e Kono possuía o espectrômetro terahertz para medir a condutividade óptica. 

Qimiao Si disse que todos os esforços que foram incluídos no estudo valeram a pena, porque os resultados têm implicações de longo alcance.

“O entrelaçamento quântico é a base para armazenamento e processamento de informações quânticas. Ao mesmo tempo, acredita-se que a criticidade quântica conduz à supercondutividade em alta temperatura. Portanto, nossas descobertas sugerem que a mesma física subjacente - criticidade quântica - pode levar a uma plataforma para informações quânticas e supercondutividade em alta temperatura. Quando alguém contempla essa possibilidade, não pode deixar de se deslumbrar com a maravilha da natureza”.

Fonte: https://phys.org/news/2020-01-strange-metals.html

Descoberta aumenta controle de supercondutividade em grafeno

Folha de grafeno (azul) girada em relação a outra folha (vermelho) sob efeito de um campo elétrico (verde). Crédito: Jose Lado

Além de transmitirem eletricidade sem resistência elétrica, os supercondutores interessam aos físicos pelos estranhos estados quânticos que os elétrons podem assumir no interior desses materiais. As propriedades desses estados exóticos podem servir de base para construir computadores quânticos, por exemplo. Infelizmente, ainda continua muito difícil a fabricação e controle das propriedades desses materiais. Um estudo teórico realizado pela brasileira Aline Ramires e o espanhol Jose Lado, no Instituto Federal de Tecnologia de Zurique (ETH), na Suíça, mostra como criar e controlar estados exóticos de elétrons em folhas de grafita com um átomo de espessura, um material mais conhecido como grafeno.

“Podemos agora usar a estrutura mais simples e controlável do grafeno para estudar um tipo de física antes estudada apenas em sistemas muito complexos”, diz Ramires, que desde setembro trabalha no Instituto Sul Americano para Pesquisa Fundamental (SAIFR-ICTP), no prédio do Instituto deFísica Teórica da UNESP, em São Paulo. A física é a primeira autora do artigo científico destacado na capa da primeira edição de outubro da revista Physical Review Letters.

Ramires explica que, a princípio, elétrons em estados exóticos só poderiam ser obtidos em grafeno aplicando no material um campo magnético de intensidade alta demais para se realizar em laboratório. No artigo publicado, os pesquisadores apresentam uma nova receita para produzir esses estados exóticos usando apenas um campo elétrico, relativamente mais fácil de ser gerado.

Pegue duas folhas de grafeno e coloque uma sobre a outra, perfeitamente alinhadas. Em seguida, gire apenas um pouquinho a folha de cima, não mais que um grau de rotação em relação à folha de baixo. Resfrie as folhas até a temperatura de 1 Kelvin (272 graus Celsius abaixo de zero) e depois aplique um campo elétrico. De acordo com os cálculos de Ramires e Lado, os elétrons se comportam nessas condições exatamente da mesma maneira que se comportariam caso as folhas de grafeno estivessem alinhadas e sob ação de um campo magnético.

Por coincidência, logo após a dupla de físicos publicar seus resultados em um manuscrito no repositório ArXiv, em março deste ano, um grupo de físicos liderado por Pablo Jarillo-Herrero, do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), Estados Unidos, apresentou resultados de experimentos com duas folhas de grafeno, mostrando que girar as folhas sob um campo elétrico até um determinado ângulo produz um estado supercondutor.

O estudo de Ramires e Lado, porém, sugere que girar uma folha em relação à outra por um ângulo cerca de dez vezes menor pode fazer com que os elétrons assumam ainda outros estados exóticos, além do estado supercondutor observado pela equipe do MIT. Em um desses outros estados, os elétrons podem ficar localizados no espaço em um arranjo que lembra o padrão geométrico de cestos de bambu tradicionais japoneses, o padrão kagome. Nesse estado os elétrons formam o que os físicos chamam de líquidos de spin, normalmente observados em pirocloros, materiais de composição química muito mais complicada que a do grafeno.

Enquanto uma equipe de físicos experimentais da ETH trabalha para confirmar suas conclusões em laboratório, Ramires continua sua investigação teórica para entender como campos elétricos controlam o surgimento de estados exóticos de supercondutividade no grafeno. Atualmente, esses estados exóticos são observados apenas em materiais chamados de cupratos. São óxidos de cobre com alguns de seus átomos de oxigênio substituídos por elementos químicos diferentes. Físicos estudam há mais de três décadas os cupratos, por serem materiais supercondutores a temperaturas relativamente altas, da ordem de 100 Kelvin. Ainda assim, os cupratos são muito complicados de serem sintetizados e suas propriedades ainda não são totalmente compreendidas. “Estudar esses estados exóticos no grafeno talvez dê algumas dicas para entendermos melhor esses materiais mais complexos”, diz Ramires.

Fonte: http://www.sbfisica.org.br/v1/home/index.php/pt/destaque-em-fisica/801-descoberta-aumenta-controle-de-supercondutividade-em-grafeno

Turbina eólica supercondutora alcança sucesso no primeiro teste

Um rotor supercondutor foi testado com sucesso em uma turbina eólica ativa pela primeira vez.

O consórcio EcoSwing projetou, desenvolveu e fabricou um gerador supercondutor em tamanho real para uma turbina eólica de 3,6 megawatts e a testou em campo em Thyborøn, na Dinamarca. Eles relatam seus resultados na revista Superconductor Science and Technology.

A autora correspondente Anne Bergen, da Universidade de Twente, na Holanda, afirmou: “O tamanho das turbinas eólicas aumentou significativamente nas últimas décadas. No entanto, a tecnologia atual tem problemas para acompanhar a tendência de níveis de potência cada vez maiores. Os geradores de acionamento direto (DD) baseados em ímã permanente (PM) oferecem uma solução de vários megawatts de última geração, mas a viabilidade de turbinas de PM-DD com mais de 10 megawatts requer uma redução significativa de peso. Máquinas pseudo-magnéticas de acionamento direto (PDD), integrando funções de engrenagem magnética e gerador, são uma solução possível para isso, mas podem ser caras e altamente complexas de produzir”.

Para enfrentar esse desafio, a equipe empregou geradores supercondutores de alta temperatura com óxido de bário de terras raras (ReBCO). Isso requer uma quantidade menor de materiais de terras raras do que as máquinas PM, resultando em um custo menor. Os supercondutores também podem transportar altas densidades de corrente, o que resulta em bobinas mais densas em potência e um peso menor.

Segundo Bergen: “O teste de campo do gerador foi extremamente bem-sucedido. Quando o gerador foi instalado em Thyborøn, a turbina atingiu sua faixa de potência desejada, incluindo mais de 650 horas de operação na rede. Isso mostra a compatibilidade da tecnologia do gerador supercondutor com todos os elementos de um ambiente operacional, como velocidades variáveis, falhas na rede, harmônicos eletromagnéticos e vibrações. O projeto fez vários outros progressos substanciais. Demonstrou que a produção de bobinas HTS não se limita a laboratórios especializados e constitui uma transferência de tecnologia bem-sucedida da ciência para a indústria. O rotor HTS também foi montado em um ambiente industrial, mostrando que os componentes supercondutores podem ser implantado em um ambiente de fabricação 'padrão'. Agora que o conceito foi comprovado, esperamos que a tecnologia de geradores supercondutores comece a ser amplamente aplicada em turbinas eólicas”.

Mais informações: Anne Bergen et al, Projeto e testes em campo do primeiro rotor ReBCO do mundo para um gerador eólico de 3,6 MW, Superconductor Science and Technology (2019). DOI: 10.1088 / 1361-6668 / ab48d6

Fonte: https://phys.org/news/2019-11-superconducting-turbine-chalks-success.html