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

Determinando a temperatura crítica de um supercondutor de alta temperatura (Determining the Superconducting Transition Temperature of High Temperature Superconductor Tape)

Os detalhes de um experimento para medir a temperatura crítica (T_C) de supercondutores são fornecidos neste artigo. Para o experimento, o sistema criogênico OptistatDry da Oxford Instruments foi equipado com uma opção de amostra desmontável e integrado com um amplificador de frequência média da Zurique Instruments. O experimento demonstrou que a plataforma criogênica exibe adaptabilidade, controlabilidade e capacidade para resolver pequenos sinais enquanto evita o ruído de fundo.

O arranjo experimental é mostrado na figura 1 a seguir.

Figura 1. Setup do amplificador MFLI e do criostato OptistatDry.

Um suporte de cobre foi usado para montar a fita de 500 milímetros de YBCO (Figura 2).

Figura 2. Bobina de YBCO montada sobre o disco de amostra

Derivações de tensão foram aplicadas sobre a fita. Terminais de alimentação foram adicionados na extremidade da fita para passar a corrente de excitação. Um sensor e um aquecedor foram montados no disco da amostra.

     O controle MercuryiTC do sistema permite varreduras simultâneas do trocador de calor e temperaturas da amostra em taxas específicas que são escolhidas pelo usuário. A varredura da temperatura foi realizada em 0.1, 0.05 e 0.01 K/min sobre a região de transição, a fim de obter a temperatura de transição supercondutora do YBCO. O MFLI desempenhou um papel duplo neste experimento. Foi um gerador de função de baixa distorção e um amplificador que recuperou pequenas respostas demoduladas. O sinal de entrada foi monitorado em tempo real com a ajuda do MFLI.

Embora o sistema OptistatDry seja personalizado para lidar com pequenas amostras, o dispositivo pode ser estendido para trabalhar com amostras maiores. Como a Figura 3 mostra, a transição supercondutora (Tc) ocorre ao longo de um intervalo de temperatura devido ao gradiente de temperatura que existe entre a bobina de YBCO relativamente grande (diâmetro de 40 milímetros). A estrutura granular do YBCO é exposta pelas varreduras rápidas de temperatura. Quando a temperatura de loop do YBCO aumenta, os domínios parecem mudar seu estado em grupos de avalanche.

Figura 3. Propagação do estado supercondutor através do YBCO quando a amostra é aquecida a diferentes taxas de aquecimento. A menor tensão de excitação aplicad foi pela 100 mK/min.

Para obter mais controle e resolução da transição, uma varredura gradual da temperatura é necessária, que pode ser feita com exatidão e precisão pelo controlador MercuryiTC.

     Determinar a Tc de um material usando o método de medição de 4 fios não é ideal, mas o experimento teve como objetivo ilustrar as características de adaptabilidade e de medição do OptistatDry integrado ao sistema MFLI. Uma vez que teria sido um desafio resolver os pequenos sinais com uma técnica resistividade DC, uma técnica CA com um amplificador MFLI foi usada em vez disso. Esta técnica foi capaz de chegar a uma base de ruído de aproximadamente 12μV. Uma frequência de medida ideal de 117 Hz foi escolhida de forma a minimizar componentes harmônicas mais altas e evitar qualquer grande mudança de fase entre os sinais de excitação e de medição. A distorção harmônica e a entrada MFLI pode ser medida simultaneamente usando um multi-demodulador. Este arranjo permitiu o uso do mesmo método de medição para determinar se a corrente de excitação através da amostra de YBCO foi 104  mA a uma temperatura de 91 K. A resistividade estado normal da fita de comprimento foi 3x10^-8 Ωm.

     O experimento demonstrou a transição supercondutora do YBCO em diferentes taxas de aquecimento. Medições diferenciais de várias propriedades físicas podem ser realizadas num amplo intervalo de temperaturas e a modulação de condução com base na configuração criogênica e instrumentação. Em adição, multi-desmodulador e informação de fase em frequências harmônicas superiores ou múltiplas pode ser obtida simultaneamente, sem alterar qualquer hardware. Isso permite maior flexibilidade em projetar experimentos de baixa temperatura.

Fonte:http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=4154

Pesquisadores descobrem uma nova dimensão na supercondutividade de alta temperatura (Researchers discover a new dimension to high-temperature superconductivity)

Nesta representação artística, um pulso magnético (direita) e de raios-X de luz laser (à esquerda) convergem para um supercondutor de alta temperatura para estudar o comportamento de seus elétrons. (SLAC National Accelerator Laboratory)

Pesquisadores do Departamento de Energia dos EUA e do SLAC National Accelerator Laboratory combinando poderosos pulsos magnéticos com alguns dos mais brilhantes raios-x do planeta, descobriram um surpreendente arranjo 3-D de elétrons em um supercondutor de alta temperatura.

       Esta reviravolta inesperada é um marco importante na jornada de 30 anos para entender melhor como materiais supercondutores de alta temperatura conduzem eletricidade sem resistência a temperaturas centenas de graus centígrados acima dos supercondutores convencionais.

       O estudo também resolve uma aparente incompatibilidade em dados experimentais e traz um novo rumo para o completo mapeamento do comportamento dos elétrons sob diferentes condições nestes materiais exóticos. Os pesquisadores têm um objetivo final de ajudar na concepção e desenvolvimento de novos supercondutores que funcionam em temperaturas mais quentes.

Física “Totalmente inesperada”

“Isso foi totalmente inesperado, e também muito emocionante. Este experimento identificou um novo ingrediente a considerar neste campo de estudo. Ninguém tinha visto esta imagem 3-D antes”, disse Jun-Sik Lee, um cientista do SLAC e um dos líderes do experimento. “Este é um passo importante na compreensão da física dos supercondutores de alta temperatura”.

A nova onda de supercondutividade

O efeito 3-D que os cientistas observaram em um material supercondutor conhecido como YBCO (óxido de ítrio, bário e cobre), é um tipo recentemente descoberto de “onda densidade de carga” (charge density wave). Esta onda não tem o movimento de oscilação de uma onda de luz ou uma onda sonora; ela descreve um arranjo estático e ordenado de aglomerados de elétrons em um material supercondutor. Sua coexistência com a supercondutividade é desconcertante para os pesquisadores porque parece entrar em conflito com os pares de elétrons que se movem livremente que definem a supercondutividade.

       A versão 2-D dessa onda foi vista pela primeira vez em 2012 e tem sido estudada extensivamente. O recente experimento LCLS revelou uma versão separada 3-D que aparece mais forte do que a forma 2-D e intimamente ligada tanto ao comportamento 2-D como com a supercondutividade do material.

       O experimento levou vários anos para ser feito e exigiu a experiência internacional para preparar amostras especializadas e construir um poderoso ímã que produziu pulsos magnéticos compactados de milésimos de segundo. Cada pulso era 10-20 vezes mais forte do que aqueles em uma típica máquina de ressonância magnética.

A poderosa combinação de magnetismo e luz

Esses pulsos magnéticos curtos e intensos suprimiram a supercondutividade nas amostras de YBCO e forneceu uma visão mais clara dos efeitos da onda de densidade de carga. Eles foram imediatamente seguidos em intervalos precisamente cronometrados por pulsos de laser de raios-x, o que permitiu aos cientistas medir os efeitos de onda.

“Esta experiência é uma maneira completamente nova de usar o LCLS que abre a porta para uma nova classe de experimentos futuros”, disse Mike Dunne, diretor do LCLS.

       “Eu estava animado com este experimento há muito tempo”, disse Steven Kivelson, um professor de física da Universidade de Stanford que contribuiu para o estudo e tem pesquisado supercondutores de alta temperatura desde 1987.

       Kivelson disse que o experimento estabelece limites muito claros sobre a temperatura e a intensidade do campo magnético no qual o efeito 3-D recém-observado emerge. “Não há nada vago sobre isso”, disse ele. “Você agora pode fazer uma declaração definitiva: Neste material existe uma nova fase”.

       O experimento também acrescenta peso à evidência crescente de que ondas de densidade de carga e supercondutividade “podem ​​ser pensados como dois lados da mesma moeda”, acrescentou.

Em busca de links comuns

Mas também está claro que o YBCO é incrivelmente complexo, e um mapa mais completo de todas as suas propriedades é necessário para chegar a qualquer conclusão sobre o que mais importa para a sua supercondutividade, disse Simon Gerber e Hoyoung Jang, principais autores do estudo.

       Experimentos adicionais são necessários para fornecer uma visualização detalhada do efeito 3-D, e para saber se o efeito é universal em todos os tipos de supercondutores de alta temperatura, disse Wei-Sheng Lee, que contribuiu com o estudo. “As propriedades deste material são muito mais ricas do que pensávamos”, disse Lee. “Continuamos a fazer novas e surpreendentes observações à medida que desenvolvemos novas ferramentas experimentais”, acrescentou Zhu.

Fonte1: https://www6.slac.stanford.edu/news/2015-11-05-researchers-discover-new-dimension-high-temperature-superconductivity.aspx

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/350/6263/949.abstract

Usando campos magnéticos para entender a supercondutividade de alta temperatura (Using magnetic fields to understand high-temperature superconductivity)

Brad Ramshaw, cientista do Los Alamos National Laboratory (LANL) realiza um experimento no Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab, expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura na qual os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias. Crédito: Los Alamos National Laboratory

Cientistas do Los Alamos National Laboratory estão expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura que os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias.

       “As medidas de campo magnético em supercondutores de alta temperatura estão pavimentando o caminho para uma nova teoria da supercondutividade”, diz Brad Ramshaw, um cientista do Los Alamos National Laboratory e principal pesquisador do projeto.

       O objetivo final da pesquisa é criar um supercondutor que opere à temperatura ambiente e não necessite de resfriamento. Todos os dispositivos que fazem uso de supercondutores, tais como os imãs MRI encontrados em hospitais, devem ser resfriados a temperaturas muito abaixo de zero, com nitrogênio líquido ou hélio, adicionando custo e complexidade à empresa.

“Esta é uma experiência verdadeiramente histórica que ilumina um problema de importância central para a física da matéria condensada”, disse Gregory Boebinger, cientista-chefe do Condensed Matter Science no National High Magnetic Field Laboratory's. “O sucesso deste trabalho é resultados das equipes terem as melhores amostras, os mais altos campos magnéticos, as técnicas mais sensíveis, e a criatividade inspirada por uma equipe de investigação multi-institucional”.

       Os supercondutores de alta temperatura, tais como o óxido de ítrio, bário e cobre (YBa₂Cu₃O_6+x), não podem ser explicados pela teoria BCS, e assim os pesquisadores necessitam de uma nova teoria para estes materiais. Um aspecto interessante dos supercondutores de alta temperatura, é que se pode alterar a temperatura de transição supercondutora (T_C) por doping, ou seja, alterando o número de elétrons que participam da supercondutividade.

       A pesquisa da equipe do Los Alamos descobriu que a dopagem do YBa₂Cu₃O_6+x onde a temperatura crítica é mais alta (dopagem ótima), os elétrons se tornam muito pesados e se movimentam de forma correlacionada.

       “Isso nos diz que os elétrons estão interagindo muito fortemente quando o material é um supercondutor ideal”, disse Ramshaw. “Essa é uma peça vital de informação para construir a próxima teoria da supercondutividade”.

       “Um problema de destaque na supercondutividade de alta T_C tem sido a questão de saber se um ponto quântico crítico - um valor especial de dopagem onde flutuações quânticas levam a fortes interações elétron-elétron - está elevando notavelmente a T_C nestes materiais”, disse ele. “Prova de sua existência nunca foi encontrada devido à natureza robusta da supercondutividade em cupratos, se os cientistas demonstrarem que existe um ponto quântico crítico, isso constituiria um marco significativo para a resolução do mecanismo de emparelhamento supercondutor, explicou Ramshaw.

       “Montar as peças deste complexo quebra-cabeça da supercondutividade foi uma tarefa difícil que envolveu cientistas de todo o mundo por décadas”, disse Charles H. Mielke, diretor do Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab. “Embora o quebra-cabeça esteja incompleto, esta peça essencial liga resultados experimentais indiscutíveis de aspectos fundamentais da física da matéria condensada”.

       A equipe mediu oscilações quânticas magnéticas em função da dopagem em campos magnéticos muito fortes. Campos magnéticos elevados permitem que o estado normal seja acessado através da supressão da supercondutividade. Os campos que se aproximam de 100 T, em particular, permitem que as oscilações quânticas sejam medidas muito próximas do máximo na temperatura de transição, T_C ~ 94 K. Essas oscilações quânticas fornecem aos cientistas uma imagem de como os elétrons estão interagindo uns com os outros antes que eles se tornem supercondutores.

       Investigando uma gama muito ampla de dopagens, os autores mostraram que existe um forte aumento da massa efetiva na dopagem ótima. Um forte incremento da massa efetiva é a assinatura no aumento da força de interação entre os elétrons, e a assinatura de um ponto quântico crítico. A quebra de simetria responsável por este ponto ainda não foi fixada, embora uma conexão com o ordenamento de carga parece ser provável, observa Ramshaw.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-magnetic-fields-high-temperature-superconductivity.html#nRlv

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/348/6232/317

Físicos mapeiam a estrutura eletrônica da supercondutividade (Physicists map electron structure of superconductivity’s ‘doppelgänger’)

Andrea Damascelli pesquisa materiais com propriedades supercondutoras. Fonte: Hogan Wong/A Ubyssey

Cientistas estão pintando um profundo quadro do ordenamento de carga em supercondutores de alta temperatura, uma auto-organização eletrônica que pode estar intrinsecamente ligada com a própria supercondutividade.

       “Tudo o que podemos aprender sobre a estrutura do ordenamento de cargas nos leva um passo mais próximo de entender como este ordenamento está entrelaçado e potencialmente compete com a supercondutividade”, diz Riccardo Comin, principal autor que conduziu a pesquisa.

Dois estudos confirmam que o ordenamento de carga forma um ‘padrão de onda d’ predominantemente unidimensional.

       O ordenamento de carga cria instabilidades em cupratos supercondutores a temperaturas maiores do que -100º C. Isso faz com que alguns elétrons se reorganizem em novos padrões estáticos periódicos que competem com a supercondutividade. A razão por trás desta competição permaneceu uma incógnita até que esses estudos demonstraram que o ordenamento de carga e a supercondutividade compartilham a mesma simetria subjacente.

       “Curiosamente, os pares de elétrons supercondutores também apresentam uma configuração chamada onda d”, diz Andrea Damascelli, líder da equipe de pesquisa. “Isso dá mais credibilidade à possibilidade de que ambos os fenômenos são irmãos alimentando uma interação comum subjacente”.

Comin e colaboradores investigaram amostras frias de óxido de cobre, ítrio e bário com raios-x e descobriram que o ordenamento de carga produz um padrão listrado, ou seja, os elétrons se auto-organizam ao longo de uma direção, em vez de em duas direções.

       “Combinadas”, diz Comin, “nossas investigações fornecem uma resolução completa da simetria do ordenamento de carga em cupratos”.

Fonte1: http://science.ubc.ca/news/physicists-map-electron-structure-superconductivity%E2%80%99s-%E2%80%98doppelg%C3%A4nger%E2%80%99

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4295.html

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/347/6228/1335

Novo recorde de campo magnético à vista (New Superconducting Magnet already at a record 27 Tesla and will reach 32 Tesla in 2016)

Esta bobina que usa o supercondutor YBCO ajudou o MagLab a estabelecer um novo recorde mundial de magnetos supercondutores: 27 teslas.

Construído com supercondutores novos e tradicionais, o ímã atingiu um campo de 27 teslas em 5 de junho, em um teste que superou as expectativas dos designers. O ímã é uma versão menor de um ainda mais poderoso com conclusão prevista para o próximo ano - um de 32 Tesla que será substancialmente mais forte do que qualquer ímã construído até à data.

        Tesla é uma medida da intensidade do campo magnético: um ímã típico usado em um aparelho de ressonância magnética é de 2 a 3 Tesla. O valor de 27 Tesla é 3,5 maior do que o ímã supercondutor mais forte em operação atualmente (em Lyon, França) e 1 Tesla mais forte do que um magneto supercondutor de teste construída no início deste ano na Coreia do Sul.

Fita de YBCO enrolada em discos (panquecas) para fazer as bobinas.

O ímã supercondutor mais forte do mundo tem atualmente uma força de campo de 23,5 Tesla. Quando este ambicioso projeto for concluído em 2016, o magneto supercondutor mais forte do planeta estará alojado no MagLab. Com 32 Tesla, dará um salto gigante em uma tecnologia que, desde 1960, tem visto pequenos passos de crescimento de 0,5 a 1 Tesla. Em junho deste ano, um teste com o ímã de 32 Tesla estabeleceu um novo recorde mundial de 27 Teslas para um ímã supercondutor.

        O instrumento inovador irá reduzir consideravelmente o custo de experimentos científicos e tornar a investigação de alto campo acessível a mais cientistas.

Devido em grande parte ao ambiente mais silencioso que um ímã supercondutor oferece, os 32 Tesla irá ajudar os cientistas a abrir novos caminhos na ressonância magnética nuclear, ressonância magnética eletrônica, sólidos moleculares, estudos de oscilação quântica de metais complexos, efeito Hall quântico etc.

       O YBCO é um supercondutor de alta temperatura (HTS) formado por óxido de cobre, ítrio e bário. HTS são supercondutores a temperaturas mais elevadas do que seus primos convencionais, o que significa uma grande vantagem. Essa propriedade também lhes permite permanecerem supercondutores a campos magnéticos muito mais elevados do que os supercondutores convencionais. O ímã testado apresenta uma mistura de fita de YBCO e fio de supercondutores convencionais.

       Huub Weijers, diretor do projeto, testou uma série de bobinas magnéticas ao longo dos anos e comentou: “Esta é a primeira vez com os protótipos que nós não tivemos algo que não estava certo. Toda vez havia um pedaço aqui ou ali, uma parte que não foi muito bem, que estava limitando-nos em geral. Desta vez, não houve tal irregularidade. Nós apenas atingimos o desempenho máximo do condutor”.

       O MagLab dispõe de vários instrumentos que são mais fortes do que 32 T, incluindo dois ímãs resistivos e o ímã híbrido de 45 T. Contudo, como supercondutor mais forte do mundo, o de 32 T será capaz de executar mais horas, mais barato de operar, e oferece vantagens importantes para alguns tipos de experimentos. Supercondutores criam campos mais estáveis, ‘mais silenciosos’ do que ímãs resistivos (que dependem de corrente convencional) que são importantes para experimentos em ressonância magnética nuclear, ressonância magnética eletrônica e outras áreas de pesquisa que requerem medidas mais sensíveis. A estimativa é que todo o sistema esteja pronto no primeiro semestre de 2016.

       Este será o primeiro ímã de alto campo à disposição dos pesquisadores que incorpora o YBCO, uma cerâmica supercondutora de alta temperatura crítica. Duas bobinas internas de YBCO, fabricadas no MagLab serão cercadas por um outsert comercial composto de três bobinas de nióbio-estanho e duas bobinas de nióbio-titânio.

       O novo ímã será mais atraente para os usuários cujos experimentos requerem menor ruído e tempos de execução mais longos do que os ímãs resistivos podem oferecer, enquanto a taxa relativamente rápida de 32 T/hora também permite muitas varreduras de campo por dia.

A equipe envolvida no projeto (da esquerda para a direita): Brent Jarvis, Huub Weijers (diretor de projeto), Denis Markiewicz, Tom Painter, Adam Voran, Steven Carter, Scott Gundloch e Bill Sheppard. Não retratado: Andy Gavrilin, Zach Johnson, Patrick Noyes e Youri Viouchkov.

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2015/06/new-superconducting-magnet-already-at.html

Fonte2: https://nationalmaglab.org/news-events/news/maglab-claims-record-with-novel-superconducting-magnet

Fonte3: http://www.oxford-instruments.com/news/2015/june/national-maglab-achieves-record-high-field-of-27-t

Descoberta abre caminho para novos tipos de dispositivos eletrônicos supercondutores (Fabricating inexpensive, high-temp SQUIDs: Discovery paves way for new kinds of superconducting electronics)

Representação da forma do feixe de íons de hélio criando uma junção Josephson em escala atômica num cristal supercondutor de alta temperatura, o YBa₂Cu₃O_7-d. A inserção retrata a aparência do dispositivo em escala macroscópica (milímetros). Crédito: Meng Ma / UCSD 

Físicos da Universidade da Califórnia em San Diego (UCSD), desenvolveram uma nova maneira de controlar o transporte de correntes elétricas em supercondutores de alta temperatura. A descoberta abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos sofisticados, capazes de permitir que cientistas ou médicos meçam de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos do coração ou do cérebro, e melhorem as comunicações por satélite.

       “Acreditamos que esta nova abordagem vai ter um impacto significativo e de longo alcance em medicina, física, ciência de materiais e de satélites de comunicações”, disse Robert Dynes, professor de física na UCSD. “Isso vai permitir o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos eletrônicos supercondutores cobrindo um amplo espectro, variando de magnetômetros altamente sensíveis para medições biomagnéticas do corpo humano até matrizes em grande escala para comunicações de banda larga por satélite. Em ciência básica, espera-se que contribua para o entendimento dos mistérios de supercondutores não convencionais e poderá desempenhar um papel importante em novas tecnologias, como a ciência da informação quântica”.

       Os pesquisadores encontraram uma forma de controlar o transporte elétrico nestes materiais através da construção de um dispositivo dentro do material supercondutor chamado de ‘junção Josephson’, análogo em função do transistor em eletrônicos semicondutores. Ele é composto de dois eletrodos supercondutores separados por cerca de um nanômetro.

       Circuitos construídos a partir de junções Josephson, chamados de dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID), são usados ​​para detectar campos magnéticos extremamente pequenos, mais de 10 bilhões de vezes menor do que o da Terra. Uma grande desvantagem para esses dispositivos é a baixa temperatura necessária para a sua operação, normalmente apenas 4 graus acima do zero absoluto. Isto exige sistemas de refrigeração intrincadas e dispendiosos.

Pesquisadores da UCSD, da esquerda para a direita: Shane Cybart, Bob Dynes, Meng Ma e Ethan Cho. Crédito: Ethan Cho/UCSD

       Quase três décadas se passaram desde a descoberta do primeiro supercondutor de alta temperatura e o progresso na construção de dispositivos eletrônicos com esses materiais tem sido muito lento. Isso porque o controle do processo em escala inferior a 10 nanômetros é necessário para fazer junções Josephson de alta qualidade fora desses materiais.

       Os físicos da UCSD uniram-se a Carl Zeiss Microscopy em Peabody (Massachusetts), que dispõem de equipamentos capazes de gerar feixes altamente focados de íons de hélio, visando experimentar uma abordagem que acreditavam poder evitar problemas anteriores.

       “Usando o feixe de hélio finamente focado do Zeiss Orion's, nós irradiamos e, portanto, desordenamos uma região nanométrica do supercondutor para criar o que é chamado de ‘barreira de tunelamento quântico’ e fomos capazes de escrever circuitos Josephson diretamente em um filme fino do óxido supercondutor”, afirmou Shane Cybart, físico que desempenhou um papel fundamental nas descobertas. “Usando esse método de escrita direta eliminamos o tratamento litográfico e oferecemos a promessa de um caminho simples de circuitos quânticos que operam em temperaturas mais práticos”.

       “A chave para este método é que os supercondutores de alta temperatura são muito sensíveis aos defeitos pontuais provocados pelo feixe de íons na rede cristalina. O aumento dos níveis de irradiação tem o efeito de aumentar a resistividade e reduzir a temperatura de transição supercondutora”, disse Cybart. “Em níveis muito elevados de irradiação, o supercondutor se torna isolante. Isso nos permite usar o pequeno feixe de hélio para escrever estas junções diretamente no material”.

       Os físicos que entraram com um pedido de patente para licenciar sua descoberta, agora estão colaborando com pesquisadores médicos para aplicar o seu trabalho no desenvolvimento de dispositivos que podem medir de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos gerados dentro do cérebro, a fim de estudar distúrbios cerebrais, como o autismo e epilepsia em crianças.

       “No campo das comunicações, estamos desenvolvendo comunicações por satélite de taxa de transferência de dados de alta largura de banda,” disse Cybart. “Na ciência básica, estamos usando essa tecnologia para estudar materiais supercondutores cerâmicos visando ajudar a determinar a física que rege o seu funcionamento de modo a conduzir a melhores materiais que operam em temperaturas ainda mais altas”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-06-discovery-paves-kinds-superconducting-electronics.html

Átomos “chacoalhados” imitam a supercondutividade de alta temperatura (Rattled Atoms Mimic High-temperature Superconductivity)

No material supercondutor de alta temperatura conhecido como YBCO, a luz de um laser faz os átomos de oxigênio (vermelho) vibrarem entre as camadas de óxido de cobre (azul). Os átomos nessas camadas fora da sua posição normal provavelmente favorece a supercondutividade. Neste estado de curta duração, a distância entre os planos de óxido de cobre dentro da camada aumenta, enquanto que a distância entre as camadas diminui. (Jörg Harms/Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter)

Um experimento do SLAC National Accelerator Laboratory forneceu o primeiro vislumbre fugaz da estrutura atômica de um material de como ele entrou em um estado semelhante a supercondutividade de temperatura ambiente.

        Os pesquisadores usaram um comprimento de onda específico de luz laser para “chacoalhar” a estrutura atômica do YBa₂Cu₃O_7-d (YBCO). Em seguida, eles sondaram as mudanças resultantes na estrutura com um feixe laser de raio-X do Linac Coherent Light Source (LCLS).

        Eles descobriram que a exposição inicial à luz do laser resulta em mudanças específicas nos átomos de cobre e oxigênio que comprime e expande as distâncias entre eles, criando um alinhamento temporário que exibe sinais da supercondutividade por alguns bilionésimos de segundo bem acima da temperatura ambiente - até 60 °C. Juntando dados teóricos e experimentais os pesquisadores mostraram como essas mudanças nas posições atômicas permitem a transferência de elétrons que impulsiona a supercondutividade.

Novas visualizações de átomos em movimento

“Este é um estado altamente interessante, mesmo que só exista por um curto período de tempo”, disse Roman Mankowsky do Instituto Max Planck, principal autor do estudo. “Quando o laser excita o material, ele desloca os átomos e altera a estrutura. Esperamos que estes resultados ajudem na concepção de novos materiais para melhorar a supercondutividade”.

Manter o estado supercondutor à temperatura ambiente revolucionaria muitos campos, tornando a rede elétrica mais eficiente e permitindo computadores mais potentes e compactos. 

Uma ferramenta poderosa para explorar a supercondutividade

Josh Turner, um cientista do SLAC afirma que ferramentas poderosas como lasers de raios-X têm causado novo interesse na pesquisa de supercondutores, permitindo que pesquisadores isolem uma propriedade específica que eles querem aprender mais a respeito. Isto é importante porque supercondutores de alta temperatura podem apresentar um emaranhado de propriedades magnéticas, eletrônicas e estruturais que podem competir ou cooperar quando o material se move em direção ao estado supercondutor. Por exemplo, um estudo do LCLS publicado recentemente descobriu que excitando o YBCO com a mesma luz laser se interrompe uma ordem eletrônica que compete com a supercondutividade.

        “O que o LCLS está mostrando agora é como essas diferentes propriedades mudam ao longo de um tempo curto”, diz Turner. “Nós podemos realmente ver como os elétrons ou átomos estão se movendo”.

        Mankowsky diz que futuros experimentos no LCLS podem tentar manter o estado supercondutor por períodos mais longos, usando uma combinação de técnicas para estudar como as outras propriedades evoluem no processo de transição para o estado supercondutor e explorar se as mesmas alterações estruturais estão a trabalhar em outros supercondutores de alta temperatura.

        Pesquisadores do National Center for Scientific Research da França, Paul Scherrer Institute na Suíça, do Instituto Max Planck na Alemanha, Swiss Federal Institute of Technology do Colégio da França, da Universidade de Genebra, da Universidade de Oxford no Reino Unido, do Center for Free-Electron Laser Science na Alemanha, e da Universidade de Hamburgo na Alemanha, também participaram do estudo. O trabalho foi apoiado pelo European Research Council, German Science Foundation, Swiss National Superconducting Center e Swiss National Science Foundation.

Fonte1: http://www.nature.com/nature/journal/v516/n7529/full/nature13875.html

Fonte2: https://www6.slac.stanford.edu/news/2014-12-04-rattled-atoms-mimic-high-temperature-superconductivity.aspx