Representação da forma do feixe de íons de hélio criando uma
junção Josephson em escala atômica num cristal supercondutor de alta temperatura,
o YBa2Cu3O7-d. A inserção retrata a aparência do
dispositivo em escala macroscópica (milímetros). Crédito: Meng Ma / UCSD
Físicos da Universidade
da Califórnia em San Diego (UCSD), desenvolveram uma nova maneira de
controlar o transporte de correntes elétricas em supercondutores de alta
temperatura. A descoberta abre caminho para o desenvolvimento de dispositivos
eletrônicos sofisticados, capazes de permitir que cientistas ou médicos meçam
de forma não invasiva os minúsculos campos magnéticos do coração ou do cérebro,
e melhorem as comunicações por satélite.
“Acreditamos que esta nova abordagem vai ter um
impacto significativo e de longo alcance em medicina, física, ciência de
materiais e de satélites de comunicações”, disse Robert Dynes, professor de física na UCSD. “Isso vai permitir o desenvolvimento de uma nova geração de dispositivos
eletrônicos supercondutores cobrindo um amplo espectro, variando de
magnetômetros altamente sensíveis para medições biomagnéticas do corpo humano até
matrizes em grande escala para comunicações de banda larga por satélite. Em
ciência básica, espera-se que contribua para o entendimento dos mistérios de
supercondutores não convencionais e poderá desempenhar um papel importante em
novas tecnologias, como a ciência da informação quântica”.
Os pesquisadores
encontraram uma forma de controlar o transporte elétrico nestes materiais
através da construção de um dispositivo dentro do material supercondutor
chamado de ‘junção Josephson’, análogo em função do transistor em eletrônicos
semicondutores. Ele é composto de dois eletrodos supercondutores separados por
cerca de um nanômetro.
Circuitos construídos
a partir de junções Josephson, chamados de dispositivo supercondutor de
interferência quântica (SQUID), são usados para
detectar campos magnéticos extremamente pequenos, mais de 10 bilhões de vezes
menor do que o da Terra. Uma grande desvantagem para esses dispositivos é a
baixa temperatura necessária para a sua operação, normalmente apenas 4 graus
acima do zero absoluto. Isto exige sistemas de refrigeração intrincadas e
dispendiosos.
Pesquisadores da UCSD, da
esquerda para a direita: Shane Cybart, Bob Dynes, Meng Ma e Ethan Cho. Crédito:
Ethan Cho/UCSD
Quase três décadas se
passaram desde a descoberta do primeiro supercondutor de alta temperatura e o progresso
na construção de dispositivos eletrônicos com esses materiais tem sido muito
lento. Isso porque o controle do processo em escala inferior a 10 nanômetros é
necessário para fazer junções Josephson de alta qualidade fora desses materiais.
Os físicos da UCSD uniram-se a Carl Zeiss
Microscopy em Peabody (Massachusetts), que dispõem de equipamentos capazes de gerar
feixes altamente focados de íons de hélio, visando experimentar uma abordagem
que acreditavam poder evitar problemas anteriores.
“Usando o feixe de hélio finamente focado do
Zeiss
Orion's, nós irradiamos e, portanto, desordenamos uma
região nanométrica do supercondutor para criar o que é chamado de ‘barreira de tunelamento
quântico’ e fomos capazes de escrever circuitos Josephson diretamente em um
filme fino do óxido supercondutor”, afirmou Shane Cybart, físico
que desempenhou um papel fundamental nas descobertas. “Usando esse método de escrita direta eliminamos
o tratamento litográfico e oferecemos a promessa de um caminho simples de
circuitos quânticos que operam em temperaturas mais práticos”.
“A chave para este método é que os
supercondutores de alta temperatura são muito sensíveis aos defeitos pontuais provocados
pelo feixe de íons na rede cristalina. O aumento dos níveis de irradiação tem o
efeito de aumentar a resistividade e reduzir a temperatura de transição
supercondutora”, disse Cybart. “Em níveis muito
elevados de irradiação, o supercondutor se torna isolante. Isso nos permite
usar o pequeno feixe de hélio para escrever estas junções diretamente no
material”.
Os físicos que
entraram com um pedido de patente para licenciar sua descoberta, agora estão
colaborando com pesquisadores médicos para aplicar o seu trabalho no
desenvolvimento de dispositivos que podem medir de forma não invasiva os
minúsculos campos magnéticos gerados dentro do cérebro, a fim de estudar
distúrbios cerebrais, como o autismo e epilepsia em crianças.
“No campo das comunicações, estamos
desenvolvendo comunicações por satélite de taxa de transferência de dados de alta
largura de banda,” disse Cybart. “Na ciência básica,
estamos usando essa tecnologia para estudar materiais supercondutores cerâmicos
visando ajudar a determinar a física que rege o seu funcionamento de modo a conduzir
a melhores materiais que operam em temperaturas ainda mais altas”.
