Físicos manipulam vórtices de Abrikosov

Os vórtices distribuídos aleatoriamente na amostra supercondutora (esquerda) foram reposicionados em um padrão formando as letras “AV”, que significa ‘Abrikosov vórtices’ (à direita). Crédito: Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT)

Um grupo de nanofotônica liderado pelo Prof. Brahim Lounis da Universidade de Bordeaux, incluindo cientistas do MIPT, realizou uma experiência única envolvendo a manipulação óptica de vórtices individuais de Abrikosov em um supercondutor. No artigo publicado na Nature Communications, os cientistas mencionam a possibilidade de projetar novas unidades lógicas baseadas em princípios quânticos para uso em supercomputadores.

Quando um material transita para o estado supercondutor, os campos de fluxo magnético são expulsos do seu volume. Um supercondutor tem todas as linhas de campo magnético ejetadas do seu interior ou permite a penetração parcial do campo magnético. O fenômeno da penetração parcial foi explicado em 1957 por Alexei Abrikosov, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2003. Um material que não exibe uma expulsão completa do campo magnético é referido como um supercondutor tipo II. Abrikosov também demonstrou que esses supercondutores só podem ser penetrados por unidades de fluxo magnético discreto, um quantum de fluxo magnético de cada vez. Como o campo dentro de um supercondutor cresce mais forte, dá origem aos loops de corrente cilíndrica conhecidos como vórtices Abrikosov.

“Os supercondutores dtipo II são usados ​​em várias aplicações, desde a medicina até a energia e outras indústrias, e suas propriedades são determinadas pela ‘matéria de vórtice’, o que torna a pesquisa de vórtices e encontrar maneiras de manipulá-los muito importantes para a física moderna”, diz Ivan Veshchunov, um dos autores do estudo e pesquisador do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Sistemas Supercondutores do MIPT.

Para manipular os vórtices de Abrikosov, os cientistas usaram um feixe de laser focalizado. Este tipo de controle óptico de vórtice é possível pela tendência dos vórtices serem atraídos para as regiões de temperatura mais elevada num supercondutor (neste caso, um filme de nióbio resfriado a -268ºC). Os hotspots (‘pontos quentes’) necessários podem ser criados pelo aquecimento do material com um laser. No entanto, é crucial definir a potência correta do laser, uma vez que o aquecimento do material destrói suas propriedades supercondutoras.

Como os vórtices atuam como quanta de fluxo magnético, eles podem ser usados ​​para moldar o perfil de fluxo magnético geral, permitindo que os físicos realizem várias experiências com supercondutores. Enquanto uma rede de vórtices triangular ocorre naturalmente em certos campos magnéticos, outros tipos de redes (e dispositivos como lentes de vórtice) podem ser criados movendo vórtices ao redor.

O método de manipulação de vórtices no estudo pode ser usado na computação quântica para o desenvolvimento de elementos lógicos quânticos de fluxo único (RSFQ), controlados opticamente. Esta tecnologia é vista como promissora para o projeto de memória super-rápida para computadores quânticos. Os elementos lógicos baseados em RSFQ já são usados ​​em conversores digital-analógico e analógico-digital, magnetômetros de alta precisão e células de memória. Vários protótipos de computadores baseados nessa tecnologia foram desenvolvidos, incluindo o FLUX-1 projetado por uma equipe de engenheiros dos EUA. No entanto, os elementos lógicos RSFQ nestes computadores são em grande parte controlados por impulsos elétricos. A lógica controlada opticamente é uma tendência emergente nos sistemas supercondutores.

As experiências realizadas pelos cientistas poderiam ser aplicadas em pesquisas futuras sobre os vórtices de Abrikosov. Os físicos ainda têm de investigar os detalhes de como o aumento da temperatura age para ‘soltar’ os vórtices de seus locais e colocá-los em movimento. Mais pesquisas sobre a dinâmica de vórtices em estruturas de Abrikosov provavelmente seguirão. Esta linha de pesquisa é fundamental para a compreensão da física dos supercondutores, bem como para avaliar as perspectivas de novos tipos de componentes de microeletrônica.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-11-physicists-abrikosov-vortices.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12801

Nanofios podem aprisionar elétrons que interrompem a supercondutividade (Ultra-thin nanowires can trap electron 'twisters' that disrupt superconductors)

Esta ilustração descreve uma pequena fileira de vórtices feitas no local entre as bordas de um nanofio desenvolvido por cientistas da Johns Hopkins. Crédito: Nina Markovic e Tyler Morgan-Wall / JHU

Materiais supercondutores são valorizados por sua capacidade de transportar corrente elétrica sem resistência, mas essa característica valiosa pode ser quebrada quando elétrons giram em forma como de tornados minúsculos chamados vórtices. Estes minitornados se formam muitas vezes na presença de campos magnéticos, tais como os produzidos pelos motores elétricos.

       Para manter as supercorrentes fluindo em alta velocidade, os cientistas da Johns Hopkins descobriram como restringir os incômodos vórtices, aprisionando-os dentro de nanofios ultrafinos extremamente curtos.

“Nós encontramos uma maneira de controlar os vórtices individuais para melhorar o desempenho de fios supercondutores”, disse Nina Markovic, professora associada do Departamento de Física e Astronomia na Escola Krieger.

       Muitos materiais podem se tornar supercondutores quando arrefecidos a uma temperatura de cerca de 460 F abaixo de zero, o que é conseguido usando hélio líquido.

       O novo método de manter o material de resistência dentro desses supercondutores é importante porque esses materiais têm um papel fundamental em dispositivos tais scanners médicos de MRI, aceleradores de partículas, detectores de fótons e os filtros de frequência de rádio usados em sistemas de telefonia celular. Além disso, espera-se que os supercondutores se tornem componentes críticos em futuros computadores quânticos, que serão capazes de fazer cálculos mais complexos do que as máquinas atuais.

       Uma maior utilização dos supercondutores pode depender de parar o dano causado pelos vórtices de elétrons que destroem a resistência nula. Os cientistas de Johns Hopkins dizem que seus nanofios impedem que isso aconteça.

       Markovic, que supervisionou o desenvolvimento desses fios, disse que outros pesquisadores têm tentado manter vórtices fixos em impurezas no material condutor, o que os torna incapazes de se mover.

       “Bordas também podem fixar os vórtices, mas é mais difícil fixá-los na maior área do material, longe das extremidades”, disse ela. “Para superar esse problema, fizemos uma amostra supercondutora que consiste principalmente de bordas: um nanofio de alumínio muito estreito.”

       Estes nanofios, disse Markovic, são tiras planas de um bilionésimo da espessura de um fio de cabelo humano e cerca de 50 a 100 vezes maior que a sua largura. Cada nanofio forma uma estrada de sentido único que permite aos pares de elétrons siga em frente no ritmo da supercorrente.

       Vórtices podem se formar quando um campo magnético é aplicado, mas por causa do design ultrafino do material, “apenas uma linha de vórtice curto pode caber dentro dos nanofios”, disse Markovic. “Porque existe uma borda em cada lado deles, os vórtices estão presos no lugar e a supercorrente pode simplesmente deslizar em torno deles, mantendo a velocidade livre de resistência.”

       A capacidade de controlar o número exato de vórtices no nanofio pode produzir benefícios adicionais, dizem físicos especialistas. Futuros computadores ou outros dispositivos podem um dia usar vórtices em vez de cargas elétricas para transmitir informações, dizem.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-ultra-thin-nanowires-electron-twisters-disrupt.html

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.077002

Matéria de Vórtices em Supercondutores

Excelente seminário do professor Clécio Clemente do Departamento de Física da UFPE. São apresentados conceitos básicos da supercondutividade, da dinâmica de vórtices e resultados de pesquisa desenvolvida sobre a matéria de vórtices.

        Para mais informações sobre o professor Clécio Clemente, acesse: http://www.ufpe.br/df/index.php?option=com_content&view=article&id=295%3Aclecio-clemente-de-souza-silva&catid=31&Itemid=220

Fonte: http://www.ustream.tv/recorded/52326190