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

Aspersão de spin em um supercondutor (sprinkling spin physics onto a superconductor)

Interações antiferromagnéticas spin-spin são mediadas e ampliadas pelos elétrons em um supercondutor. (Ilustração: S. Kelley/E.Edwards)

        Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) em colaboração com físicos de Harvard e Yale, vem estudando os efeitos da incorporação de spins na superfície de um supercondutor. Em um trabalho publicado recentemente no Physical Review Letters (“Enhanced Antiferromagnetic Exchange between Magnetic Impurities in a Superconducting Host”), eles demonstraram que os spins podem interagir de forma diferente do que se pensava. Esta plataforma híbrida poderia ser útil para simulações quânticas de complexos sistemas de spin, tendo a particularidade de que as interações podem ser controladas, algo bastante incomum para a maioria dos sistemas da matéria condensada.

O sistema quântico clássico conhecido como spin pode ser realizado em diferentes plataformas físicas. Devido aos avanços na fabricação e criação de imagens, impurezas magnéticas embutidas em um substrato surgiram como uma perspectiva interessante para o estudo da física de spin. O 'spin' está relacionado ao momento angular intrínseco de uma partícula. O interessante é que, embora o conceito seja abstrato, inúmeros efeitos na natureza, tais como magnetismo, são mapeados em modelos matemáticos de spin.

Um único spin é útil, mas a maioria das aplicações práticas e estudos de fenômenos complexos exigem controle de muitos spins interagentes. Por si só, os spins irão interagir uns com os outros, com a força da interação desaparecendo quando eles são separados. Nos experimentos, os físicos, muitas vezes utilizam técnicas como lasers e / ou campos magnéticos, para controlar e modificar a interação entre os spins. Embora possível em sistemas atômicos, controlar interações entre spins não tem sido fácil ou mesmo possível na maioria dos sistemas do estado sólido.

      Em princípio, a melhor forma de melhorar a comunicação entre os spins nos materiais é usar como intermediários os elétrons livres. Elétrons livres são fáceis de encontrar em condutores, mas do ponto de vista da física quântica, estes materiais são ‘sujos’ e ‘barulhentos’. Aqui, elétrons fluem em volta sendo espalhados por incontáveis átomos criando rupturas e mascarando os efeitos quânticos. Uma maneira de contornar este obstáculo é colocar os spins em um substrato supercondutor, que é um ambiente quântico tranquilo, intocado.

Por que os supercondutores são anfitriões limpos para spins? Considere a estrutura de banda destes sistemas. A estrutura de banda descreve o comportamento dos elétrons em sólidos. Dentro de átomos isolados, os elétrons ocupam níveis discretos de energias, separados por regiões proibidas. Num sólido, os átomos estão dispostos num padrão de repetição em que devido à proximidade, seus elétrons são efetivamente compartilhados. O diagrama de níveis de energia em um sólido consiste não em níveis discretos, mas bandas que representam quase um contínuo de valores de energia. Em um sólido, elétrons normalmente ocupam os níveis mais baixos de energia.

Em condutores, o próximo nível de energia acima do mais alto preenchido, é próximo o suficiente para permitir transições, facilitando o fluxo de elétrons na forma de corrente. Nesse esquema de nível de energia, onde se encaixam os supercondutores? Nos supercondutores, o aparecimento da resistividade zero é uma transição de fase. Quando alguns materiais são resfriados, os elétrons começam a interagir, mesmo em grandes distâncias, através de vibrações no cristal chamadas fônons. Isso é chamado de “par de Cooper.” Os pares, apesar de relativamente fracos, exigem certa quantidade de energia para quebrar, que se traduz em um gap na estrutura de banda formada entre o estado supercondutor de menor energia e o superior de maior energia (não supercondutor). Em certo sentido, o estado supercondutor é um ambiente quântico isolado do barulho do estado de condução normal.

        Nesta pesquisa, os cientistas consideram o que acontece com as interações spin-spin quando os spins são incorporados em um supercondutor. Geralmente, quando os spins são separados por uma quantidade maior do que o chamado comprimento de coerência, eles interagem fracamente antiferromagneticamente (orientação de spin alternada). Acontece que quando os spins estão mais próximos, suas interações são mais complexas do que se pensava, e tem o potencial de ser ajustável. A equipe de pesquisa corrige a teoria existente que diz que as interações spin-spin oscilam entre ferromagnéticas (todos os spins com a mesma orientação) e antiferromagnéticas. Este tipo de interação é válida para condutores comuns, mas não quando o substrato é um supercondutor.

O que está acontecendo é que, semelhante aos semicondutores, as impurezas magnéticas de spin afetam a estrutura de banda. Os spins induzem o que é chamado estado Shiba, os quais permitem níveis de energia dentro do gap supercondutor. Isto significa que existe uma forma de quebrar pares de elétrons supercondutores fazendo-os ocupar níveis mais elevados, estados de energia não supercondutores.

Para este trabalho, o ponto chave é que quando dois spins muito próximos são anti-alinhados, seus estados de Shiba se misturam para reforçar a interação antiferromagnética. Uma característica interessante deste resultado é que a quantidade de mistura, a força efetiva da interação, pode ser ajustada mudando a energia relativa dos estados de Shiba em torno da região do gap. A equipe descobriu que, quando os estados de Shiba estão no meio do gap supercondutor, a interação antiferromagnética entre spins domina.

Autor e teórico Jay Sau explica a promessa desta plataforma: “O que este sistema spin-supercondutor fornece é a capacidade de conectar vários sistemas quânticos juntos em uma interação definitiva. Aqui você pode, potencialmente, colocar um monte de átomos de impureza em uma pequena região do supercondutor e todos eles vão interagir antiferromagneticamente. Esta é a situação ideal para a formação de estados de spin exóticos.”

       Matrizes de spins com interações controláveis ​​são difíceis de obter em laboratório e, quando combinada com a capacidade de gerar imagens individuais de impurezas de spin via microscopia de varredura por tunelamento (STM), esta plataforma híbrida pode abrir novas possibilidades para o estudo de fenômenos quânticos interagentes complexos.

      Da perspectiva de Sal: “Estamos na fase em que nossa compreensão dos eventos quânticas de muitos corpos é tão ruim que não queremos simular um material específico. Se nós apenas começamos a gerar exemplos mais complicados de sistemas quânticos que não entendemos, então já fizemos progresso.”

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37158.php

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.087202