Pesquisadores usam Mira para olhar dentro dos supercondutores de alta temperatura (Researchers use Mira to peer inside high-temperature superconductors)

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando o supercomputador Mira para investigar o estado magnético em diferentes níveis de pressão, do seleneto de ferro, um conhecido supercondutor de alta temperatura. Crédito: Lucas Wagner, Universidade de Illinois

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando recursos de supercomputação do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), para estudar a natureza misteriosa dos supercondutores de alta temperatura.

Com temperaturas críticas que variam de 30 a 130 Kelvin, esta classe relativamente nova de supercondutores de alta temperatura é nova apenas no nome. Antes da sua descoberta, em 1986, acreditava-se que a supercondutividade só poderia ocorrer em temperaturas abaixo de 30 Kelvin.

     A descoberta de supercondutores de alta temperatura levou a inúmeras pesquisas que resultaram na identificação de vários outros supercondutores, mas a origem de suas propriedades únicas permanece indefinida.

     “Nós ainda não temos uma teoria universal para os supercondutores de altas temperaturas”, disse Lucas Wagner, professor assistente na Universidade de Illinois. “O objetivo do nosso trabalho no ALCF é dar um passo a mais na compreensão desses sistemas”.

     Com uma melhor compreensão dos mecanismos que dão origem à supercondutividade de alta temperatura, os cientistas poderão projetar novos materiais e desenvolver tecnologias a partir deles.

Supercondutores convencionais (de baixa temperatura), são utilizados em ressonância magnética e aceleradores de partículas, mas suas aplicações cotidianas são limitadas porque os materiais requerem sistemas de refrigeração muito caros e difíceis de trabalhar.

     “É possível que os supercondutores de alta temperatura amenizem algumas dessas deficiências e levem a outras aplicações potenciais, como linhas de transmissão de energia e motores elétricos, bem mais viáveis”, diz Wagner.

     No ALCF, Wagner e sua equipe estão usando o supercomputador Mira para simular o magnetismo do seleneto de ferro em diferentes níveis de pressão. O estudo foi inspirado no trabalho experimental que demonstrou que o seleneto de ferro é supercondutor a temperaturas elevadas quando submetidos a altas pressões.

Os pesquisadores realizam simulações da estrutura eletrônica do seleneto de ferro em um nível de detalhe sem precedentes. Até agora, os cálculos tem ajudado a compreender melhor o comportamento magnético do material e porque ele muda com a pressão, fornecendo evidências para apoiar a noção de que a supercondutividade de alta temperatura é de origem magnética.

     “As propriedades dos elétrons são determinadas por um equilíbrio entre uma tendência de se espalhar, evitar um ao outro e estar perto dos núcleos”, diz Wagner. “No seleneto de ferro, nós confirmamos que o equilíbrio entre essas três coisas leva a um caráter magnético incomum. E que este equilíbrio muda com a pressão”.

     As simulações de alta precisão não teriam sido possíveis sem um supercomputador massivamente paralelo como o Mira. Os materiais supercondutores são sistemas fortemente correlacionados, prever o seu comportamento depende do cálculo das interações entre seus elétrons. Métodos computacionais tradicionais, como a teoria do funcional da densidade, em média, desconsideram essas interações, o que tornava impossível estudar esses materiais com qualquer precisão no passado.

     Com a crescente disponibilidade de supercomputadores de alto desempenho, o método QMC (quantum Monte Carlo) surgiu como uma ferramenta eficaz para simular explicitamente as interações entre elétrons, abrindo a porta a novos esforços de investigação computacional para uma ampla gama de sistemas que necessitam de previsões realistas de propriedades dos materiais.

     Como o principal desenvolvedor do código aberto QWalk, Wagner está na vanguarda da pesquisa em QMC. Para ajudar a promover a pesquisa no ALCF, ele continua a trabalhar com os engenheiros de desempenho da instalação para melhorar o código no Mira. Até agora, eles têm sido capazes de aumentar a velocidade do QWalk em 20%.

     “Descobrimos que uma quantidade significativa de tempo foi gasto em uma parte do código com um padrão de computação de memória intensiva”, diz Vitali Morozov, principal engenheiro de desempenho de aplicações no ALCF. “Otimizando o uso de estruturas de dados para operações similares levaram a uma redução significativa do estresse sobre a largura de banda de memória”.

     A equipe de Wagner procura entender a diferença entre supercondutores de alta temperatura e materiais não supercondutores que exibem propriedades semelhantes. Eles também utilizam o Mira para prever novos materiais com propriedades promissoras. Os resultados contribuirão para um esforço de colaboração onde outros pesquisadores vão tentar fazer os materiais previstos.

     “Em última análise, esperamos que o nosso trabalho leve a novos supercondutores”, disse Wagner. “Além disso, os métodos e compreensão que estamos desenvolvendo aqui serão aplicáveis a muitas outras áreas críticas, da catálise à energia fotovoltaica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-03-mira-peer-high-temperature-superconductors.html

Explicado o segredo do supercondutor H2S (Secret of record-breaking superconductor explained)

A superfície de Fermi no sulfeto de hidrogênio sob 200 GPa de pressão. (Cortesia: Ion Errea, Matteo Calandra et al.)

A supercondutividade convencional pode ocorrer em temperaturas muito mais altas do que o esperado, de acordo com cálculos feitos por uma equipe internacional de físicos liderada por Matteo Calandra do Instituto IMPMC em Paris. Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para explicar o recorde da supercondutividade relatada no ano passado para o sulfeto de hidrogênio (H₂S), o qual a equipe atribui a interações relativamente simples semelhantes aquelas que ocorrem em supercondutores convencionais de baixa temperatura.

        Supercondutores de baixa temperatura são bem descritos pela teoria BCS, em que interações com fônons levam ao emparelhamento de elétrons em pares de Cooper que viajam através do material sem resistência. A maior temperatura crítica (T_C) para esta classe de supercondutores é apenas 39 K (para o MgB₂).

        Apesar da grande quantidade de pesquisa feita sobre supercondutores de alta temperatura, grande parte da física subjacente à sua supercondutividade permanece desconhecida. Esse mistério foi aprofundado no final do ano passado quando Mikhail Eremets e colaboradores descobriram que quando submetido a uma pressão extremamente alta (200 GPa), o H₂S tem uma T_C de 190 K (Veja aqui). Enquanto a T_C de supercondutores de alta temperatura pode ser aumentada pela aplicação de pressão, o H₂S parece destinado a tornar-se o novo recordista se a medida for confirmada.

        A coisa estranha sobre o H₂S é que - ao contrário de outros supercondutores de alta temperatura – ele não existe em um estado magnético, e, portanto, se assemelha mais a um supercondutor convencional. Essa observação levou Calandra e colegas a usar a teoria BCS como ponto de partida para os seus cálculos.

        As interações entre os elétrons e as vibrações dos átomos de hidrogênio são a chave para a compreensão da supercondutividade no H₂S. O hidrogênio tem uma massa muito pequena e vibra em frequências relativamente elevadas. Estes modos de alta frequência interagem fortemente com elétrons e deve resultar em um supercondutor com uma T_C muito alta. Quando Calandra e colegas utilizaram a teoria BCS para calcular a T_C do H₂S em alta pressão, eles obtiveram um valor de 250 K - muito maior do que o observado 190 K.

        A equipe acredita que a T_C real é um pouco menor, porque a teoria BCS assume que os átomos vibram no material como osciladores harmônicos simples. No entanto, átomos leves como hidrogênio sofrem oscilações anarmônicas mais complicadas, e isso pode enfraquecer significativamente as interações que criam os pares de Cooper. Depois de levar em conta os efeitos anarmônicos em seus cálculos, os pesquisadores calcularam uma T_C muito mais realista de 194 K.

Aumentando a pressão

        Os cálculos também sugerem que a interação entre os efeitos anarmônicos e outras propriedades do material resulta numa T_C constante entre 200-250 GPa. Observar esse efeito no laboratório seria um bom teste para os cálculos, Calandra diz não ter conhecimento de quaisquer medições acima de 200 GPa. Ele ressalta que a experiência de 200 GPa foi extremamente difícil de fazer, e que Eremets e colegas são provavelmente os únicos pesquisadores capazes de estudar o H₂S a pressões mais elevadas.

        “A descoberta de Eremets e nosso trabalho teórico fundamentam o caminho para a busca da supercondutividade de alta T_C em hidretos e materiais à base de hidrogênio em geral”, diz Calandra. “Nesta classe de materiais deve ser possível encontrar supercondutores com uma T_C da mesma ordem (ou superior) do que o H₂S a alta pressão”, acrescenta.

        Elisabeth Nicol da Universidade de Guelph no Canadá está entusiasmada com os resultados. “O surpreendente é que podemos ter um supercondutor de elétron-fônon que opera a 190 K”, diz ela. Nicol, que não estava envolvido nos cálculos, acrescenta que “Embora tecnicamente a teoria da supercondutividade em si não estabeleça um limite na T_C, o consenso foi que os supercondutores de elétron-fônon têm baixa T_C. Claramente, estamos aprendendo que ainda há possibilidades para a supercondutividade convencional”.

        O trabalho está publicado na Physical Review Letters.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/apr/24/secret-of-record-breaking-superconductor-explained

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.157004

Supercondutividade bate recorde sob alta pressão (superconductivity record breaks under pressure)

Os cupratos até agora detém o recorde de temperatura mais elevada, mas uma nova classe de materiais pode mudar isso. (Phil Degginger / Alamy)

Por quase 30 anos, a busca de um supercondutor à temperatura ambiente tem se concentrado em materiais exóticos conhecidos como cupratos, que podem transportar correntes sem perder energia em temperaturas de até 164 K, ou -109 °C. Mas os cientistas dizem ter superado esse recorde usando uma molécula simples, o sulfeto de hidrogênio (H₂S). Quando uma pequena amostra do material é submetida a pressões próximas às do núcleo da Terra, os pesquisadores dizem que o material superconduz a 190 K (-83 °C).

        “Se o resultado for reproduzido, será muito chocante”, diz Robert Cava, químico na Universidade de Princeton. “Seria uma descoberta histórica”.

        De acordo com a teoria BCS (John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer), vibrações nos átomos de um cristal podem levar elétrons a formar “pares de Cooper”, que podem fluir através do cristal sem resistência. A teoria BCS foi desenvolvida na década de 1950, mas a maioria dos físicos acredita que ela não pode explicar a supercondutividade em cupratos, que foi descoberto em 1986, ou em ferro-pnictídeos, descobertos em 2006.

        Os cientistas esperam que a teoria BCS possa guiar a busca por outros tipos de supercondutores de alta temperatura, particularmente em materiais que contenham elementos leves como o hidrogênio. Estes geram vibrações mais rápidas que criam laços mais fortes entre os pares de elétrons.

        A recente pesquisa baseia-se na obra de Neil Ashcroft (físico da Universidade de Cornell), que estudou o potencial supercondutor de compostos de hidrogênio. Mais especificamente, ele investigou uma recente previsão teórica de físicos chineses que o sulfeto de hidrogênio deve superconduzir acima de 80 K quando exposto a uma pressão de 1,6 milhões atm. Essa alta pressão comprime os elétrons dos pares de Cooper tornando menos provável de serem destruídos por flutuações térmicas.

        Mikhail Eremets e colegas do Instituto Max Planck colocaram uma amostra de sulfeto de hidrogênio, cerca de um centésimo de milímetro de diâmetro, entre as pontas de duas bigornas de diamante e eletrodos. Em seguida, mediram a forma como a resistência elétrica do material foi alterada à medida que o sistema resfriava até próximo do zero absoluto. Eles descobriram que, sob uma pressão de 1,8 milhões de atm, a resistência cai repentinamente em torno de 190 K, o que sugere uma transição supercondutora.

Os pesquisadores atribuem essa temperatura “crítica” maior do que o esperado à repartição de ácido sulfídrico em moléculas que contêm um número relativamente maior de átomos de hidrogênio. Estas moléculas seriam supercondutoras nesta temperatura.

        Os pesquisadores relatam várias evidências para apoiar a sua reivindicação de supercondutividade de alta temperatura, incluindo a de ter visto uma temperatura de transição muito mais baixa (90 K), quando usaram deutério (mais pesado) no lugar do hidrogênio. Os átomos mais pesados, segundo eles, impediria a supercondutividade, diminuindo as vibrações de cristal.

Caso seja confirmado por outros grupos, este resultado representaria um enorme aumento na temperatura crítica obtida por meio das interações entre os elétrons e as vibrações de cristal (supercondutor convencional tipo BCS). O recorde atual é de 39 K para o MgB₂.

        Alexander Gurevich, teórico da Universidade Old Dominion, concorda que os resultados representam “um avanço significativo na investigação da supercondutividade”, mas para o momento permanece cauteloso. Ele diz que os autores ainda têm de demonstrar uma das marcas da supercondutividade, o efeito Meissner, em que um material 'expulsa' linhas do campo magnético quando esfria até o estado supercondutor. “Espero que este trabalho estimule outros grupos para reproduzir o experimento prontamente”, acrescenta.

        Quanto à utilidade prática do trabalho, Eremets e seus colegas dizem que agora será possível encontrar temperaturas críticas elevadas em outros materiais contendo hidrogênio, como fulerenos à base de carbono ou hidrocarbonetos aromáticos. Estes, dizem, podem ser transformados em supercondutores, misturando pequenas frações de outros elementos, no lugar da aplicação de alta pressão. Cava, no entanto, adverte que ainda é muito cedo para considerar possíveis aplicações. “Se uma coisa dessas poderia ocorrer em pressão ambiente para outros hidretos é uma pergunta que é melhor não especular a respeito”, diz ele.

Fonte1: http://www.nature.com/news/superconductivity-record-breaks-under-pressure-1.16552

Fonte2: http://arxiv.org/abs/1412.0460