A pressão é desligada e a supercondutividade de alta temperatura continua

 

por Nicole Johnson, University of Houston

 

Paul Chu (à direita) é o Diretor Fundador e Cientista Chefe do Texas Center for Superconductivity at the University of Houston (TcSUH). Liangzi Deng (à esquerda) é professor assistente de pesquisa física no TcSUH. Crédito: Universidade de Houston.

 

O diretor do Texas Center for Superconductivity, Paul Chu, juntamente com sua equipe, desenvolveu uma técnica que consiste em preservar a fase supercondutora de alta temperatura mesmo após a remoção da pressão que induziu o surgimento da fase.

Pengcheng Dai, professor de física e astronomia da Rice University, e seu grupo, contribuíram para demonstrar com sucesso a possibilidade da técnica de arrefecimento por pressão em um modelo supercondutor de alta temperatura , o seleneto de ferro (FeSe). Os resultados foram publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences .

“Nós derivamos o método de extinção de pressão da formação do diamante artificial a partir da grafite por Francis Bundy e de outros compostos metaestáveis”, disse Chu. “O grafite se transforma em diamante quando submetido a alta pressão em altas temperaturas. O subsequente resfriamento rápido da pressão, ou remoção da pressão, deixa a fase de diamante intacta sem pressão.”

Chu e sua equipe aplicaram esse mesmo conceito a um material supercondutor com resultados promissores.

“O seleneto de ferro é considerado um supercondutor simples de alta temperatura com uma T_c = 9K à pressão ambiente”, disse Chu.

“Quando aplicamos pressão, a T_c aumentou para ~ 40K, mais do que quadruplicando o valor, permitindo-nos distinguir inequivocamente a fase PQ (pressure-quench) supercondutora da fase não-PQ original. Em seguida, tentamos conservar a fase supercondutora de alta T_c  após a remoção da pressão usando o método PQ, e descobrimos que podemos”.

A conquista do Dr. Chu e seus colegas leva os cientistas um passo mais perto de realizar o sonho da supercondutividade à temperatura e pressão ambiente, recentemente relatada em hidretos apenas sob pressão extremamente alta.

Para operar um dispositivo supercondutor, é necessário resfriá-lo abaixo de sua temperatura crítica (T_c), o que requer energia. Quanto maior for a T_c, menos energia será necessária. Portanto, aumentar a T_c até a temperatura ambiente tem sido a força motriz dos cientistas na pesquisa da supercondutividade desde sua descoberta.

Desafiando a crença de que a T_c não poderia exceder 30K, Paul Chu e colegas descobriram em 1987 a supercondutividade com uma T_c = 93K em uma nova família de compostos. A T_c tem sido continuamente elevada a 164K por Paul Chu e outros grupos de cientistas. Recentemente, uma T_c de 287K foi obtida por Dias e colaboradores da Universidade de Rochester no sistema sulfeto de hidrogênio-carbono sob 267 gigapascal (GPa).

“Nosso método permite fazer o material supercondutor com maior T_c sem pressão. Não há razão para que a técnica não possa ser aplicada igualmente aos hidretos que mostraram sinais de supercondutividade com uma T_c próxima da temperatura ambiente”.

Fonte: https://phys.org/news/2021-07-pressure-high-temperature-superconductivity.html

 

Mais informações:

Liangzi Deng et al, Pressure-induced high-temperature superconductivity retained without pressure in FeSe single crystals, Proceedings of the National Academy of Sciences (2021). DOI: 10.1073/pnas.2108938118.

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

Nova lei para os supercondutores (New law for superconductors)

Átomos de nióbio e nitrogênio em um filme supercondutor ultrafino que ajudaram pesquisadores do MIT a descobrirem uma lei universal da supercondutividade. Imagem: Yachin Ivry.

Descrição matemática da relação entre espessura, temperatura e resistividade pode estimular avanços

Pesquisadores do MIT descobriram uma nova relação matemática entre a espessura do material, a temperatura e a resistência elétrica que parece válida para todos os supercondutores. Eles descreveram suas descobertas na revista Physical Review B.

       O resultado pode lançar luz sobre a natureza da supercondutividade e também pode levar a melhorias na engenharia de circuitos supercondutores para aplicações em computação quântica e computação de potência ultrabaixa.

       “Fomos capazes de usar esse conhecimento para fazer dispositivos de área maior, que não eram possíveis de construir anteriormente, e o rendimento dos dispositivos aumentou significativamente”, diz Yachin Ivry, um pós-doc do MIT.

Supercondutores são materiais que, em temperaturas próximas do zero absoluto, apresentam nenhuma resistência elétrica. Isto significa que é preciso pouquíssima energia para induzir uma corrente elétrica. Um único fóton irá fazer o truque, é por isso que eles são úteis como fotodetectores quânticos. Um chip de computador construído a partir de circuitos supercondutores consumiria, em princípio, um centésimo da energia de um chip convencional.

       “Filmes finos são cientificamente interessantes, porque eles permitem que você obtenha mais de perto o que nós chamamos de transição supercondutora-isolante”, diz Ivry. “A supercondutividade é um fenômeno que depende do comportamento coletivo dos elétrons. Então, se você vai a dimensões cada vez menores, você obtém o início do comportamento coletivo”.

       Especificamente, Ivry estuda o nitreto de nióbio, um material que tem uma temperatura crítica relativamente elevada. Mas, como a maioria dos supercondutores, ele tem uma temperatura crítica mais baixa quando depositado em filmes finos nos quais se baseiam os nanodispositivos.

       Trabalho teórico anterior tinha caracterizado a temperatura crítica do nitreto de nióbio como uma função da espessura da película ou da sua resistividade medida à temperatura ambiente. Mas nem a teoria parecia explicar os resultados que Ivry estava obtendo. “Vimos grande dispersão e sem tendência clara”, diz ele. “Não fazia sentido, porque nós crescemos os filmes em laboratório, nas mesmas condições”.

       Assim, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos em que eles mantinham constantes ou a espessura ou a ‘resistência superficial’, a resistência do material por unidade de área, enquanto variavam outro parâmetro. Eles, então, mediram as alterações na temperatura crítica. Um claro padrão emergiu: espessura vezes temperatura crítica igual a uma constante (A), dividido pela resistência da folha elevada a uma potência específica (B).

       Após derivar a fórmula, Ivry comparou com outros resultados descritos na literatura. Porém, seu entusiasmo inicial evaporou-se com o primeiro artigo consultado. Embora a maioria dos resultados relatados concorde perfeitamente com sua fórmula, dois deles eram dramaticamente errados. Em seguida, um colega que estava familiarizado com o artigo apontou que seus autores tinham reconhecido em uma nota de rodapé que as duas medidas podiam refletir erro experimental: ao construir o seu dispositivo de teste, os pesquisadores tinham esquecido de ligar um dos gases que eles usaram para depositar seu filmes.

Ampliando o escopo

Os outros artigos de nitreto de nióbio consultados por Ivry davam suporte às suas previsões, então ele começou a expandir o estudo para outros supercondutores. Cada novo material investigado, o obrigou a ajustar as constantes (A e B) da fórmula. Mas, a forma geral da equação se mantinha através de resultados relatados por cerca de três dezenas de supercondutores diferentes.

       Não era necessariamente surpreendente que cada supercondutor tivesse sua própria constante associada, mas Ivry e Berggren não estavam felizes que a sua equação exigisse duas delas. Quando Ivry ‘plotou’ graficamente A contra B para todos os materiais investigados, os resultados ficaram em linha reta.

       Encontrar uma relação direta entre as constantes permitiu contar com apenas uma delas sob a forma geral de sua equação. Mas mais interessante, os materiais em cada extremidade da linha tinham propriedades físicas distintas. Aqueles no topo eram altamente desordenados - ou, tecnicamente, ‘amorfos’; aqueles da parte inferior eram mais ordenados, ou ‘granular’. Então, a tentativa inicial de Ivry para banir uma deselegância na sua equação já pode fornecer algumas dicas sobre a física dos supercondutores em pequenas escalas.

       “Nenhuma teoria admitiu até agora uma explicação para a relação da temperatura crítica com a resistência superficial e espessura da folha de uma ampla classe de materiais”, diz Claude Chapelier, pesquisador do France’s Alternative Energies and Atomic Energy Commission. “Existem vários modelos que não preveem as mesmas coisas”.

       Chapelier diz que gostaria de ver uma explicação teórica para essa relação. Mas, enquanto isso, “isso é muito conveniente para aplicações técnicas”, diz ele, “porque há um monte de divulgação de resultados, e ninguém sabe se eles vão conseguir bons filmes para dispositivos supercondutores. Ao colocar um material sob esta lei, você já sabe se é um bom filme supercondutor ou não”.

Fonte1: http://newsoffice.mit.edu/2014/mathematical-relationship-in-superconductors-1216

Fonte2: http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.214515