Mais próximo de um novo tipo de computador (One step closer to a new kind of computer)

Esta imagem mostra a resistência diferencial.

Um grupo internacional de físicos, incluindo Aleksander Golubov, chefe do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Supercondutores, recentemente apresentou os resultados de um novo fenômeno. Os resultados podem ajudar os cientistas na criação de um novo tipo de transição isolante-condutor.

       Pesquisadores realizaram uma série de experimentos com isolantes de Mott. Estes materiais, de acordo com a teoria de bandas, devem ser condutores, mas na prática são dielétricos (isolantes). Em termos gerais, o mecanismo por trás dessa anomalia é conhecido por físicos, embora uma teoria completa para isolantes de Mott ainda não existe. Eles não entendem completamente como os materiais se transformam de isolantes em condutores.

       Ao mesmo tempo, as estimativas preliminares indicam que este efeito é capaz de abrir um novo caminho para computadores mais rápidos. A transição ocorre sob a influência de vários fatores, incluindo um campo magnético, o que permite que seja controlado a partir do exterior. Isto torna possível aos investigadores permitir o fluxo de corrente ou interrompê-lo num ponto necessário. Tal esquema pode substituir transistores comuns e, neste caso, torná-los mais rápidos e mais compactos. Mas, para isso, os cientistas devem utilizar a teoria da transição de Mott.

       A teoria pertence às concepções fundamentais que explicam as propriedades elétricas de uma substância. Ela tem uma relação direta não somente com o comportamento isolante de Mott, mas também com a supercondutividade e os fundamentos da spintrônica, uma tecnologia que pode permitir o controle do spin do elétron. Supercondutividade e spintrônica estão entre essas tendências, onde se pode esperar avanços tecnológicos radicais, o que torna o entendimento da natureza da transição de Mott tão importante - e não apenas um ponto de vista puramente teórico.

       Em sua nova pesquisa, os físicos usaram um modelo especial que lhes permitiu estudar processos quânticos no isolante de Mott com a ajuda dos chamados vórtices magnéticos. Neste modelo proposto por Valery Vinokur e David Nelson em 1993, a corrente elétrica aciona um vórtice quântico em um material supercondutor, e pode-se considerar tal vórtice o portador de carga. Neste ponto, o que é mais significativo e sobre o qual Vinokur e Nelson escreveram ao discutir transições de fase, o supercondutor com vórtices se comportou como qualquer líquido superfluido ou como o vidro, através do qual a corrente elétrica não pode passar. Variando a temperatura e o campo magnético, os cientistas converteram a amostra de um estado para outro, e estas observações, juntamente com o conjunto de dados mais recentes foram usadas como uma base para a nova pesquisa.

Esta imagem mostra a matriz feita a partir de ilhas de nióbio usada nas experiências, e o relevo da seção transversal, bem como uma vista geral (C) no microscópio óptico.

       Para a nova experiência, os cientistas criaram uma matriz quadrangular de ilhas de nióbio com diâmetro de cerca de 220 nanômetros sobre silício. Eles construíram a amostra usando métodos padrão de litografia, e, em seguida, colocaram em um criostato resfriando para 1,4 K, o que é inferior à temperatura de transição supercondutora do nióbio. As ilhas de nióbio tornaram-se supercondutoras, vórtices magnéticos se formaram nelas, e os investigadores analisaram o comportamento do sistema em diferentes condições.

       Em particular, eles mediram a resistência da amostra e descobriram que esta quantidade se transforma de forma não linear com um campo magnético crescente. De um ponto de vista teórico, os resultados sugerem que se pode ver a transição de Mott como a transição de uma substância de um estado líquido a um gás, o que abre oportunidades adicionais para analisar o fenômeno a partir da perspectiva da termodinâmica. O esquema experimental desenvolvido pelos cientistas torna as experiências relativamente simples, porque eles têm uma quantidade suficiente de métodos de litografia e temperaturas comparáveis ​​com a do hélio líquido. Vale destacar que as baixas temperaturas foram alcançadas sem o uso do caríssimo hélio líquido.

Resistência não linear da amostra e a influência de campos magnéticos sobre a resistência elétrica.

Fonte1: https://mipt.ru/en/news/motttransition

Fonte2: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/miop-osc091515.php

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/349/6253/1202

Estaneno: A um passo da supercondutividade a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/08/2015

O estaneno é um isolante topológico, um tipo de material no qual os elétrons comportam-se de forma diferente quando se movem no interior ou nas bordas do material. [Imagem: Feng-feng Zhu et al. - 10.1038/nmat4384]

Supercondutor quente

Os físicos acreditam estar a um passo de comprovar a previsão teórica da existência de um material supercondutor a temperatura ambiente.

Há dois anos, uma equipe das universidades Tsinghua (China) e Stanford (EUA) previu a existência do estaneno, uma folha de estanho com um único átomo de espessura - assim como o grafeno é uma folha monoatômica de carbono.

Embora já se saiba que o grafeno foi apenas o começo nesse reino emergente de materiais monoatômicos, o que causou alvoroço é que os cálculos teóricos indicam que o estaneno será um supercondutor a temperatura ambiente.

Os supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem perdas, já têm muitos usos, mas precisam de temperaturas criogênicas para atingir o estado de resistência elétrica zero, o que inibe seu uso na maioria das aplicações.

Estaneno real

Agora, o grupo conseguiu pela primeira vez sintetizar o estaneno em laboratório. Eles criaram um vapor de estanho em um ambiente de vácuo e deixaram que os átomos se depositassem sobre um substrato, comprovando que o elemento realmente se cristaliza na forma prevista, formando o tão esperado estaneno.

O problema é que a deposição até agora só funcionou bem em uma placa de telureto de bismuto, um material que interfere com o estaneno, impedindo que a amostra fosse utilizada para comprovar a supercondutividade.

A equipe, assim como vários outros grupos ao redor do mundo, continuam em busca de uma forma mais simples e mais robusta de produzir o material, que eles acreditam funcionar como um isolante topológico, um tipo de material no qual os elétrons comportam-se de forma diferente quando se movem no interior ou nas bordas do material.

Em um isolante topológico, os portadores de carga, como os elétrons, viajam em uma direção que é dependente do seu spin. A corrente elétrica não é dissipada porque a maioria das impurezas não afeta o spin, não retardando os elétrons, advindo assim a supercondutividade.

Bibliografia

Epitaxial growth of two-dimensional stanene
Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu, Dong Qian, Shou-Cheng Zhang, Jin-feng Jia, Nature Materials, Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nmat4384

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=estaneno-supercondutividade-temperatura-ambiente&id=010165150806&ebol=sim#.VcenGvnWGY9

Isolante topológico supercondutor (topological insulator goes superconducting)

Esquerda: filmes ultrafinos de Bi₂Se₃ epitaxialmente crescido na superfície (0001) do supercondutor monocristalino 2H-NbSe₂ usando a técnica de epitaxia de feixe molecular (molecular beam epitaxy technique). Centro: curvas de intensidade ARPES e mapa de dispersão ARPES de alta resolução do filme Bi₂Se₃ sobre NbSe₂ depois de "destapar" usando uma energia de fóton incidente de 50 eV (no detalhe). Direita: a direção da polarização de spin dos elétrons no nível de Fermi do supercondutor Bi₂Se₃. Cortesia: S-Y Xu

Físicos dos EUA e Taiwan dizem que encontraram a primeira evidência da supercondutividade no isolante topológico seleneto de bismuto graças às novas observações espectroscópicas. A descoberta não é apenas de fundamental importância para uma série de teorias de física da matéria condensada e de partículas, mas pode até ser explorada para construir no futuro qubits topológicos tolerantes a falhas.

Isolantes topológicos são materiais artificialmente construídos isolantes no volume da amostra, mas que podem conduzir eletricidade na superfície. Uma equipe de pesquisadores liderada por Zahid Hasan, da Universidade de Princeton, usando a técnica angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES), afirmam ter visto o “emparelhamento de Cooper” (a marca registrada da supercondutividade) nos elétrons que se encontram na superfície do isolante topológico Bi₂Se₃. ARPES é uma das formas mais diretas de estudar a estrutura eletrônica e supercondutividade em sólidos.

Supercondutividade é um fenômeno coletivo no qual os elétrons se movem em direções opostas superando a repulsão eletrostática para formar pares de Cooper abaixo de uma certa temperatura de transição. Estes pares podem condensar em um único estado quântico e mover-se sem resistência elétrica através do material supercondutor.

“Em supercondutores convencionais, elétrons de condução que se deslocam ao longo de uma determinada direção têm seus spins em ambas as direções, ‘up’ e ‘down’, e os dois tipos de elétrons podem emparelhar-se”, explica o membro da equipe Su-Yang Xu, também de Princeton. “Isolantes topológicos são diferentes. Os elétrons se movendo em uma direção deverão ter apenas elétrons com spin-up disponíveis para emparelhar-se, e aqueles que se movem na direção oposta só tem elétrons spin-down disponíveis. É por isso que as superfícies de isolantes topológicos são também chamadas de ‘half-Dirac-gas’ porque apenas metade dos elétrons está disponível para contribuir com a corrente elétrica de resistência zero. Além disso, as fortes interações dos pares de Cooper que existem em alguns supercondutores estão ausentes em isolantes topológicos e a supercondutividade nestes sistemas existe em um estado ‘fracamente interagente’. Fracamente interagente nesse contexto, significa que os elétrons não se repelem fortemente.”

Emparelhamento helicoidal de Cooper

Os pesquisadores mediram a energia cinética e a direção de spin dos elétrons ejetados de uma amostra de Bi₂Se₃ em um substrato de seleneto de nióbio (NbSe₂). “O processo de fotoemissão nos fornece informações extremamente úteis sobre a estrutura eletrônica e propriedades de um material”, diz Xu, “e a técnica com resolução de spin fornece informações adicionais sobre como são configurados os spins dos elétrons no material”.

Graças às temperaturas ultrabaixas em que realizaram os experimentos, Hasan e seus colegas dizem que eles foram capazes de observar pela primeira vez o “emparelhamento helicoidal de Cooper” em um sistema eletrônico de Dirac, fazendo uso de uma coisa chamada momentum-resolved Bogoliubov quasiparticle spectrum do isolante topológico quando é colocado sobre um substrato de um supercondutor convencional como o NbSe₂.

Férmions de Majorana e outra física exótica

A teoria prevê que partículas chamadas férmions de Majorana (partículas que são suas próprias antipartículas) poderiam ser feitas através da combinação de um supercondutor convencional com um isolante topológico. Uma série de outros aspectos fundamentais da física exótica também pode estar à espreita em tais estados de superfície no estado sólido.

Férmions de Majorana são previstos em física de alta energia, mas ainda não foram observados em experimentos de física de partículas. “Se eles forem encontrados na matéria condensada, como em um supercondutor topológico tipo half-Dirac-gas, eles podem ser usados para construir o famoso qubit topológico - o que nos ajudaria a fazer um computador quântico tolerante a falhas”, diz Xu. Isto porque férmions de Majorana - ao contrário dos familiares férmions de Dirac, como os elétrons - obedecem as “estatísticas não-Abelianas” e assim devem ser robustos ao ruído ambiental de fundo. Férmions de Majorana poderiam armazenar e transmitir informação quântica sem perturbação externa, o que é um dos principais desafios para quem tenta construir hoje um computador quântico prático e tolerante a falhas.

Testando a física de alta energia no estado sólido?

A supersimetria (outra teoria da física de alta energia) é outro exemplo interessante que ainda tem que ser testada em aceleradores de partículas. “Aqui, os bósons (partículas de spin inteiro) e férmions (partículas de spin semi-inteiro) podem ser convertidos um no outro em altas energias. Teóricos da matéria condensada dizem que ambas, a supersimetria e os férmions de Majorana, podem ser produzidos na mesma configuração do estado sólido - como o ‘spin-momentum locked’ half-Dirac gas que temos estudado”.

Até agora, todas as reivindicações de ver férmions de Majorana foram em sistemas de isolantes não-topológicos, mas um isolante topológica de Majorana seria uma partícula muito robusta, de longa duração.

Estimulado por suas observações, a equipe diz que agora está planejando uma técnica híbrida de espectroscopia de fotoemissão (combinação de espectroscopia de tunelamento e de transporte elétrico) para procurar um férmion de Majorana, e mais importante, as partículas de supersimetria (SUSYs) no componente helicoidal isolado dos pares de Cooper estudados no presente trabalho.

Embora nossos dados atuais não forneçam qualquer evidência para a supersimetria, esta é uma emocionante - e alguns diriam ambiciosa - direção futura que esperamos prosseguir graças a nossa identificação do emparelhamento helicoidal de Cooper, diz Xu.

A pesquisa está detalhada no artigo da Nature Physics.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/59246

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3139.html