Pesquisadores criam o primeiro supercondutor auto-montado (Researchers create first self-assembled superconductor)

O Grupo Wiesner da Universidade de Cornell sintetizou pela primeira vez um supercondutor nanoestruturado obtido via processos de auto-montagem. A figura apresenta um ímã levitando sobre um supercondutor à base de bismuto, com imagens da microscopia eletrônica e de simulações do material nanoestruturado. Crédito: Universidade de Cornell

 

Com quase duas décadas de pesquisa, uma equipe multidisciplinar da Universidade de Cornell desbravou um novo caminho, criando um supercondutor tridimensional auto-montado.

Ulrich Wiesner, professor de ciência e engenharia dos materiais, que lidera o grupo, diz que é a primeira vez que um supercondutor, o nitreto de nióbio (NbN), tem uma estrutura porosa auto-montada. A estrutura obtida é cúbica complexa baseada em uma superfície que divide o espaço em dois volumes separados que são interpenetrantes e contêm várias espirais. Os poros e o material supercondutor possuem dimensões de cerca de 10 nanômetros, o que poderia levar a perfis de propriedades inteiramente novas de supercondutores.

Atualmente, a supercondutividade para usos práticos como em imagens de ressonância magnética (MRI) e reatores de fusão, só é possível a quase zero absoluto de temperatura (-459.67° Fahrenheit), embora experimentos já tenham alcançado -70 °C (-94 °F).

Wiesner almejava há mais de duas décadas obter um supercondutor com a estrutura cúbica complexa, a fim de explorar como isso afetaria as propriedades supercondutoras. A dificuldade estava em descobrir uma maneira de sintetizar o material. O avanço foi alcançado com a decisão de usar o NbN.

O grupo de Wiesner começou usando copolímeros orgânicos para estruturar o óxido de nióbio (Nb₂O₅) em redes tridimensionais alternadas. O grupo construiu duas estruturas de rede entrelaçadas, então removeu uma delas por aquecimento a 450 graus.

A descoberta da equipe contou com um pouco de ‘sorte’, disse Wiesner. Na primeira tentativa para alcançar a supercondutividade, o óxido de nióbio (sob uma corrente de amoníaco para a conversão para o nitreto) foi aquecido a uma temperatura de 700 graus. Depois de esfriar o material até à temperatura ambiente, determinou-se que a supercondutividade não tinham sido atingida. O mesmo material foi, em seguida, aquecido a 850 graus, resfriado e testado, e a supercondutividade tinha sido alcançada.

Wiesner disse que o grupo não é capaz de explicar por que o aquecimento, resfriamento e reaquecimento funciona, mas “é algo que nós estamos investigando”, acrescentou.

Estudos anteriores em supercondutores nanoestruturados foram limitados, em parte, à falta de material adequado para o teste. O trabalho da equipe de Wiesner é o primeiro passo em direção a investigações nesta área.

“Estamos dizendo à comunidade, 'Ei, estes materiais podem ajudar a gerar estruturas supercondutoras completamente novas, que podem ter novas propriedades. Vale a pena olhar para isso’”, disse Wiesner.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-01-self-assembled-superconductor.html

Fonte2: http://advances.sciencemag.org/content/2/1/e1501119

Um receptor supercondutor para comunicação óptica a partir da Lua (A superconducting photon-counting receiver for optical communication from the Moon)

As explorações e missões da Nasa exigem taxas de dados maiores do que aquelas atualmente disponíveis. A Deep Space Network (Rede do Espaço Profundo) - um sistema de comunicação internacional para apoiar missões de naves espaciais - utiliza a tecnologia mais atual de rádio frequência (RF) para redes de espaço livre (aquelas que transmitem dados através do espaço em vez de usar estruturas sólidas como cabos de fibra óptica). Uma rede de comunicações de espaço livre com base na tecnologia óptica oferece taxas de dados que são ordens de grandeza maior do que a RF. Além disso, é menor e mais leve, uma característica particularmente importante para os terminais de satélite carentes de recursos de energia.

Para explorar estas vantagens, a Nasa vem trabalhando em demonstrações laboratoriais para um sistema real, o Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD). O projeto inclui um terminal óptico no espaço, o Lunar Lasercom Space Terminal (LLST)¹ (Figura 1), lançado como uma carga no Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (Ladee), e um terminal ​​de chão transportável, o Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT)².

O LLST lançado em 07 de setembro de 2013 atingiu 250 km em órbita acima da superfície lunar no início de outubro. Durante o mês seguinte, foram estabelecidas comunicações livres de erros entre o LLST e o LLGT. Este link de comunicação a laser de 230.000 km foi o mais longo já construído, e demonstrou as taxas de comunicação de dados mais altas atingidas de ou para a Lua. Além disso, o sistema utiliza símbolos de dados estruturados e hardware adicional para conseguir medições contínuas do tempo de voo de ida e volta com resolução bem menor do que 200 ps³.

  

Figura 1. (a) Módulo óptico do Lunar Lasercom Space Terminal. (b) Módulo óptico montado na nave espacial Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer.

A luz do LLST foi recolhida em quatro telescópios de 40 centímetros no terminal LLGT localizado no Novo México. Cada telescópio foi acoplado a uma fibra personalizada que mantém a polarização que foi então concentrada em um conjunto de quatro nanofios supercondutores de nitreto de nióbio (NbN) detectores de um único fóton (superconducting nanowire single-photon detectors - SNSPDs). Tais detectores são baseados em supercondutores que operam abaixo das suas temperaturas críticas com uma corrente constante logo abaixo da corrente crítica. Quando um único fóton é absorvido no nanofio, a corrente supercondutora é interrompida e resulta numa resistência finita que pode ser medida como um pulso de tensão na saída antes do nanofio relaxar rapidamente ao seu estado supercondutor. Os SNSPDs estão disponíveis desde 2001,⁴ mas para o programa LLCD, alguns avanços foram necessários para atingir a alta eficiência do sistema de detecção de fótons (PDE) e baixos tempos de reposição para suportar a taxa de dados de 622 Mb/s.⁵

A concepção e construção de cavidades ópticas também foi modificada para melhorar a absorção de fótons e o PDE,⁶ bem como a concepção de matrizes intercaladas para aumentar as taxas de contagem.⁷ Os dispositivos de nanofios foram fabricados usando a litografia por feixe de elétrons em filmes de NbN cultivados em substratos de silício/dióxido de silício. Os nanofios formaram um padrão circular de 14 μm de diâmetro, com quatro nanofios intercalados, que foram colocados em uma cavidade óptica (veja Figura 2) para alcançar um PDE de 75%. As matrizes SNSPD foram mantidas a uma temperatura de 2.7 K em uma de duas fases do ciclo (ver Figura 3). Os estágios eletrônicos¹⁰ foram alojados em prateleiras ao lado do sistema criogênico, e todos foram alojados remotamente a partir de telescópios ligados por fibra personalizada.

Figura 2. (a) Micrografia eletrônica de varredura do padrão intercalado dos nanofios supercondutores detectores de um único fóton (SNSPD). (b) Perfil esquemático da matriz SNSPD e da cavidade óptica. Si: silício. SiO₂: dióxido de silício.

  

Figura 3. Topo: O Lunar Lasercom Ground Terminal (LLGT) em White Sands, no Novo México. Canto inferior direito: O refrigerador criogênico montado para as quatro matrizes SNSPD. Canto inferior esquerdo: sistema criogênico de processamento de sinais eletrônicos.

Em resumo, o LLCD alcançou uma taxa de transmissão de dados livre de erros de 622 Mb/s entre o terminal LLST em um satélite em órbita lunar e o terminal LLGT na Terra usando um receptor de um único fóton de nanofios supercondutores de NbN. Esta demonstração constituiu o elo de comunicação a laser de maior alcance já construído e as taxas de dados de comunicação mais altas atingidas de ou para a Lua. Com base no sucesso do LLCD, a Nasa está preparando a implantação de terminais ópticos de comunicações a laser para operações espaciais.

Matthew Grein, Eric Dauler, Andrew Kerman, Matthew Willis, Barry Romkey, Bryan Robinson, Daniel Murphy, Don Boroson

Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Laboratório Lincoln

Lexington, MA

Referências

1. B. S. Robinson, D. M. Boroson, D. A. Burianek, D. V. Murphy, Overview of the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. SPIE 7923, p. 792302, 2011. doi:10.1117/12.878313

2. D. Fitzgerald, Design of a transportable ground telescope array for the LLCD, presented at SPIE Photonics West, San Francisco, CA, 2011.

3. D. M. Boroson, B. S. Robinson, D. V. Murphy, D. A. Burianek, F. Khatri, J. M. Kovalik, Z. Sodnik, D. M. Cornwell, Overview and results of the lunar laser communication demonstration, Proc. SPIE 8971, p. 89710S, 2014. doi:10.1117/12.2045508

4. G. N. Gol'tsman, O. Okunev, G. Chulkova, A. Lipatov, A. Semenov, K. Smirnov, B. Voronov, A. Dzardanov, C. Williams, R. Sobolewski, Picosecond superconducting single-photon optical detector, Appl. Phys. Lett. 79, p. 705-707, 2001.

5. A. J. Kerman, E. A. Dauler, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, K. K. Berggren, Constriction-limited detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors, Appl. Phys. Lett. 90, p. 101110, 2007.

6. K. M. Rosfjord, J. K. W. Yang, E. A. Dauler, A. J. Kerman, V. Anant, B. M. Voronov, G. N. Gol'tsman, K. K. Berggren, Nanowire single-photon detector with an integrated optical cavity and anti-reflection coating, Opt. Express 14, p. 527-534, 2006.

7. E. A. Dauler, B. S. Robinson, A. J. Kerman, J. K. W. Yang, K. M. Rosfjord, V. Anant, B. Voronov, G. Gol'tsman, K. K. Berggren, Multi-element superconducting nanowire single-photon detector, IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, p. 279-284, 2007.

8. A. J. Kerman, J. K. W. Yang, R. J. Molnar, E. A. Dauler, K. K. Berggren, Electrothermal feedback in superconducting nanowire single-photon detectors, Phys. Rev. B 79, p. 100509, 2009.

9. A. J. Kerman, D. Rosenberg, R. J. Molnar, E. A. Dauler, Readout of superconducting nanowire single-photon detectors at high count rates, J. Appl. Phys. 113, p. 144511, 2013.

10. M. E. Grein, A. J. Kerman, E. A. Dauler, O. Shatrovoy, R. J. Molnar, D. Rosenberg, J. Yoon, et al., Design of a ground-based optical receiver for the Lunar Laser Communications Demonstration, Proc. Int'l Conf. Space Opt. Syst. Appl., p. 78-82, 2011.

Fonte: http://spie.org/x114726.xml

Conversão eficiente de correntes de spin em correntes de carga em um supercondutor (Efficient conversion from spin currents to charge currents in a superconductor)

Ilustração esquemática do dispositivo para a medição do SHE em um supercondutor. Injeção de corrente de spin (I) entre o ferromagnético (Py) e o não magnético (cobre: ​​Cu) gera correntes de spin puras (J_S) no cobre. Correntes puras de spin fluem através do cobre em um supercondutor (nitreto de nióbio: NbN), e são convertidas em correntes de carga (JQ) através da SHE no interior do nitreto de nióbio. (Imagem: Taro Wakamura)

Pesquisadores da Universidade de Tóquio mediram pela primeira vez com êxito o efeito Hall de spin em um supercondutor ("Quasiparticle-mediated spin Hall effect in a superconductor"). O efeito Hall de spin é responsável pela conversão de fluxo magnético em fluxo de corrente e não foi estudado em detalhes em supercondutores.

A spintrônica, campo de pesquisa que explora o spin do elétron, tem atraído um interesse crescente nas últimas décadas. Ela nos permite transmitir e manipular a informação com menor consumo de energia, devido à supressão do efeito Joule usando correntes puras de spin, um fluxo do momento angular do spin dos elétrons sem qualquer fluxo de carga.

        Correntes puras de spin podem ser geradas e detectadas através do efeito Hall de spin (spin Hall effect - SHE). A amplitude do SHE depende do material. Um maior SHE indica conversão mais eficiente entre corrente de carga e corrente de spin, assim, muitos estudos têm sido realizados para descobrir materiais que apresentam um maior SHE. Considerando que metais normais, como platina ou tungstênio são tidos como candidatos promissores para a obtenção de grande SHE, pouca atenção tem sido dada ao SHE em supercondutores.

        O grupo de pesquisa do professor Otani relatou a primeira observação do SHE em um supercondutor. O grupo preparou um dispositivo utilizando nitreto de nióbio, e mediu o SHE nos estados supercondutor e normal. Explorando o caráter eletrônico não convencional dos supercondutores, o SHE no estado supercondutor torna-se mais de 2.000 vezes maior do que no estado normal.

        Este resultado avança sobre a realização de circuitos lógicos de spin e no futuro desenvolvimento da spintrônica em dispositivos supercondutores.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40447.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4276.html

Nova lei para os supercondutores (New law for superconductors)

Átomos de nióbio e nitrogênio em um filme supercondutor ultrafino que ajudaram pesquisadores do MIT a descobrirem uma lei universal da supercondutividade. Imagem: Yachin Ivry.

Descrição matemática da relação entre espessura, temperatura e resistividade pode estimular avanços

Pesquisadores do MIT descobriram uma nova relação matemática entre a espessura do material, a temperatura e a resistência elétrica que parece válida para todos os supercondutores. Eles descreveram suas descobertas na revista Physical Review B.

       O resultado pode lançar luz sobre a natureza da supercondutividade e também pode levar a melhorias na engenharia de circuitos supercondutores para aplicações em computação quântica e computação de potência ultrabaixa.

       “Fomos capazes de usar esse conhecimento para fazer dispositivos de área maior, que não eram possíveis de construir anteriormente, e o rendimento dos dispositivos aumentou significativamente”, diz Yachin Ivry, um pós-doc do MIT.

Supercondutores são materiais que, em temperaturas próximas do zero absoluto, apresentam nenhuma resistência elétrica. Isto significa que é preciso pouquíssima energia para induzir uma corrente elétrica. Um único fóton irá fazer o truque, é por isso que eles são úteis como fotodetectores quânticos. Um chip de computador construído a partir de circuitos supercondutores consumiria, em princípio, um centésimo da energia de um chip convencional.

       “Filmes finos são cientificamente interessantes, porque eles permitem que você obtenha mais de perto o que nós chamamos de transição supercondutora-isolante”, diz Ivry. “A supercondutividade é um fenômeno que depende do comportamento coletivo dos elétrons. Então, se você vai a dimensões cada vez menores, você obtém o início do comportamento coletivo”.

       Especificamente, Ivry estuda o nitreto de nióbio, um material que tem uma temperatura crítica relativamente elevada. Mas, como a maioria dos supercondutores, ele tem uma temperatura crítica mais baixa quando depositado em filmes finos nos quais se baseiam os nanodispositivos.

       Trabalho teórico anterior tinha caracterizado a temperatura crítica do nitreto de nióbio como uma função da espessura da película ou da sua resistividade medida à temperatura ambiente. Mas nem a teoria parecia explicar os resultados que Ivry estava obtendo. “Vimos grande dispersão e sem tendência clara”, diz ele. “Não fazia sentido, porque nós crescemos os filmes em laboratório, nas mesmas condições”.

       Assim, os pesquisadores realizaram uma série de experimentos em que eles mantinham constantes ou a espessura ou a ‘resistência superficial’, a resistência do material por unidade de área, enquanto variavam outro parâmetro. Eles, então, mediram as alterações na temperatura crítica. Um claro padrão emergiu: espessura vezes temperatura crítica igual a uma constante (A), dividido pela resistência da folha elevada a uma potência específica (B).

       Após derivar a fórmula, Ivry comparou com outros resultados descritos na literatura. Porém, seu entusiasmo inicial evaporou-se com o primeiro artigo consultado. Embora a maioria dos resultados relatados concorde perfeitamente com sua fórmula, dois deles eram dramaticamente errados. Em seguida, um colega que estava familiarizado com o artigo apontou que seus autores tinham reconhecido em uma nota de rodapé que as duas medidas podiam refletir erro experimental: ao construir o seu dispositivo de teste, os pesquisadores tinham esquecido de ligar um dos gases que eles usaram para depositar seu filmes.

Ampliando o escopo

Os outros artigos de nitreto de nióbio consultados por Ivry davam suporte às suas previsões, então ele começou a expandir o estudo para outros supercondutores. Cada novo material investigado, o obrigou a ajustar as constantes (A e B) da fórmula. Mas, a forma geral da equação se mantinha através de resultados relatados por cerca de três dezenas de supercondutores diferentes.

       Não era necessariamente surpreendente que cada supercondutor tivesse sua própria constante associada, mas Ivry e Berggren não estavam felizes que a sua equação exigisse duas delas. Quando Ivry ‘plotou’ graficamente A contra B para todos os materiais investigados, os resultados ficaram em linha reta.

       Encontrar uma relação direta entre as constantes permitiu contar com apenas uma delas sob a forma geral de sua equação. Mas mais interessante, os materiais em cada extremidade da linha tinham propriedades físicas distintas. Aqueles no topo eram altamente desordenados - ou, tecnicamente, ‘amorfos’; aqueles da parte inferior eram mais ordenados, ou ‘granular’. Então, a tentativa inicial de Ivry para banir uma deselegância na sua equação já pode fornecer algumas dicas sobre a física dos supercondutores em pequenas escalas.

       “Nenhuma teoria admitiu até agora uma explicação para a relação da temperatura crítica com a resistência superficial e espessura da folha de uma ampla classe de materiais”, diz Claude Chapelier, pesquisador do France’s Alternative Energies and Atomic Energy Commission. “Existem vários modelos que não preveem as mesmas coisas”.

       Chapelier diz que gostaria de ver uma explicação teórica para essa relação. Mas, enquanto isso, “isso é muito conveniente para aplicações técnicas”, diz ele, “porque há um monte de divulgação de resultados, e ninguém sabe se eles vão conseguir bons filmes para dispositivos supercondutores. Ao colocar um material sob esta lei, você já sabe se é um bom filme supercondutor ou não”.

Fonte1: http://newsoffice.mit.edu/2014/mathematical-relationship-in-superconductors-1216

Fonte2: http://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.90.214515