Supercondutividade: um fenômeno quântico macroscópico

 

Excelente palestra do físico Eduardo Miranda sobre fenômenos quânticos em escala macroscópica, incluindo a supercondutividade.

  

Pesquisadores afirmam ter resolvido enigma dos high-Tc (superconducting secrets solved after 30 years)

Mapa da estrutura do óxido de cobre supercondutor. Image: Nicolle R Fuller

        Pesquisadores da Universidade de Cambridge descobriram que ondas de elétrons, conhecidas como ondas de densidade de carga (charge density waves), criam “bolsões” retorcidos de elétrons, a partir do qual emerge a supercondutividade. Os resultados foram publicados em 15 de junho na revista Nature. Clique aqui!

Um dos problemas com supercondutores de alta temperatura é que não sabemos como encontrar novos, não sabemos quais os ingredientes responsáveis ​​pela criação da supercondutividade de alta temperatura, disse Dr. Sebastian Suchitra do Laboratório Cavendish, autor principal do artigo. Nós sabemos que há algum tipo de cola que faz com que os elétrons se emparelhem, mas não sabemos o que é essa cola.

        Para decodificar o que faz supercondutores de alta temperatura, os pesquisadores trabalharam ao contrário: determinando quais as propriedades que os materiais têm no estado normal, eles podem descobrir o que estava causando a supercondutividade.

Estamos tentando entender quais os tipos de interações acontecem no material antes de os elétrons emparelharem, uma dessas interações deve ser responsável pela criação da cola, disse Sebastian. Uma vez que os elétrons já estão emparelhados, é difícil saber o que os fez emparelhar-se. Mas se nós podemos quebrar os pares, então podemos ver o que os elétrons estão fazendo e esperamos entender de onde a supercondutividade veio. Determinando o estado normal de um supercondutor, faria o processo de identificação de novos muito menos aleatório, saberíamos que tipos de materiais a serem procurados, disse Sebastian.

        Trabalhando com campos magnéticos extremamente fortes, os pesquisadores foram capazes de cancelar o efeito supercondutor em cupratos. As tentativas anteriores para determinar as origens de supercondutividade, determinando o estado normal, usaram a temperatura em vez do campo magnético, mas levou a resultados inconclusivos.

        Estas experiências foram capazes de resolver o mistério em torno da origem de bolsas de elétrons no estado normal para criar a supercondutividade. Anteriormente, era amplamente difundida a ideia de que os bolsões de elétrons estavam localizados na região de forte supercondutividade. Em vez disso, os atuais experimentos usando fortes campos magnéticos revelou uma peculiar geometria, onde cada camada vai em uma direção diferente.

    Estes resultados apontaram os locais de bolsões onde a supercondutividade é mais fraca, e sua origem em ondas de elétrons conhecidas como ondas de densidade de carga. É esse estado normal que é substituído para produzir a supercondutividade na família de supercondutores dos cupratos.

Ao identificar outros materiais que têm propriedades semelhantes, esperamos que nos ajude a encontrar novos supercondutores a temperaturas cada vez mais altas, até mesmo, à temperatura ambiente, o que poderia abrir uma enorme gama de aplicações, disse Sebastian.

Fonte: http://www.cam.ac.uk/research/news/superconducting-secrets-solved-after-30-years

Fonte: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature13326.html

Os desafios da supercondutividade (challenges of superconductivity)

         Mesmo depois de 1 século de sua descoberta (Onnes), a supercondutividade ainda possui alguns desafios que parecem estar muito longe de serem superados. Dois em particular são notavelmente destacados: o desenvolvimento de uma teoria ab initio que explique a supercondutividade em qualquer intervalo de temperatura e a obtenção de um material que seja supercondutor em temperatura ambiente ou maior que a ambiente. Outros desafios como a obtenção de fios com materiais cerâmicos, também estão longe da superação (Larbalestier).

         Inquestionavelmente, a teoria ab initio mais bem sucedida na descrição da supercondutividade é a teoria BCS (BCS), que explica as propriedades dos supercondutores tipo I (supercondutores convencionais). Nesta teoria, a interação elétron-fônon é o mecanismo responsável pela supercondutividade. A teoria BCS deu origem a importantes conceitos até hoje empregados, como o par de Cooper e o gap de energia. A descoberta dos high-T_C causou certo abalo à teoria BCS, pois com base em seus pressupostos havia um consenso de que o limite máximo da temperatura crítica seria em torno de 30K (McMillan). As cerâmicas à base de Cu e O mantém um recorde da T_C muito acima deste valor (http://www.superconductors.org/News.htm)!

         Em função disso, diversos modelos teóricos foram e continuam sendo desenvolvidos na tentativa de explicar a supercondutividade de uma maneira completa. Abaixo segue uma pequena lista destes artifícios:

         Esse é um exemplo do quanto esse campo de pesquisa é desafiador! Embora não mencionada acima, outra teoria que teve e ainda possui grande utilidade no estudo da supercondutividade é conhecida como as equações de Ginzburg-Landau (Ginzburg). Esta deu origem a uma importante grandeza conhecida como comprimento de coerência, uma medida da variação do parâmetro de ordem.

         Além do campo teórico, embora haja uma vasta gama de materiais supercondutores, o desafio de alcançar uma temperatura crítica equivalente a ambiente exigirá informações que aparentemente ainda não se possui. Não é sabido se há ou não um limite físico para a T_C. Apesar disso, nada impede os materiais supercondutores de serem usados em várias aplicações úteis. Veja uma lista de aplicações aqui: Aplicações dos supercondutores.

      Para uma revisão um pouco mais detalhada, veja: Supercondutividade: um século de desafios e superação.

Teletransporte fica prático para computação quântica (quantum teleportation)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 16/08/2013

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit. [Imagem: University of Tokyo]

Energizar

Não, ainda não é nada parecido com o teletransporte de Jornada nas Estrelas, mesmo porque cálculos indicam que o tempo para teletransportar um ser humano seria longo demais com qualquer tecnologia imaginável hoje.

Mas duas equipes fizeram avanços substanciais na área do teletransporte quântico, usando técnicas e abordagens diferentes, colocando a técnica muito próxima da utilização prática no interior de computadores quânticos e para a transmissão e a criptografia de dados.

No primeiro experimento, o teletransporte passou a ser determinístico, alcançando um aproveitamento de quase 100%, passando a ser realizado, por assim dizer, ao apertar de um botão.

No segundo experimento, o teletransporte, também determinístico, passou a ser feito por um circuito de estado sólido, dispensando os complicados aparatos fotônicos.

Embora ainda não seja o suficiente para se sonhar em transportar objetos à distância, os dois avanços são importantes para a comunicação, a criptografia e computação quânticas.

Teletransporte de informações

Enquanto nos filmes de ficção científica as pessoas saem do ponto A e são recriadas no ponto B, no teletransporte quântico os qubits não desaparecem e reaparecem - a única coisa que vai de um ponto a outro é a informação guardada no qubit.

Para isso, o teletransporte quântico depende do entrelaçamento quântico (ou emaranhamento), um fenômeno pelo qual duas partículas separadas têm efeito imediato uma sobre a outra - é o chamado efeito fantasmagórico à distância.

Como tudo o que acontece com a partícula A afeta imediatamente a partícula B, torna-se possível transferir a informação sem transferir fisicamente a partícula - as partículas continuam em seus lugares, mas a informação passa de uma para a outra.

Embora seja feito ao apertar de um botão - basta ligar o laser - o teletransporte da equipe do Japão e da Alemanha usa o tradicional sistema óptico. [Imagem: University of Tokyo]

Teletransporte ao apertar de um botão

Shuntaro Takeda e seus colegas da Universidade de Tóquio, no Japão, juntaram duas técnicas já usadas anteriormente, combinando qubits fotônicos com o teletransporte de ondas ópticas - a informação é guardada em um bit quântico, mas viaja através de uma conexão clássica por fibra óptica.

Isto elimina a necessidade da medição pós-teletransporte para ver se a coisa funcionou. Com isto, a taxa de eficiência aumentou mais de 100 vezes em relação aos experimentos anteriores, deixando de ser probabilística para ser determinística.

Os qubits foram enviados do Japão até a Universidade Johannes Gutenberg, na Alemanha, viajando mais de 10.000 km, e chegando com uma precisão entre 79 e 82%. Para isso, em vez de entrelaçar apenas dois qubits, eles entrelaçaram vários deles, permitindo que mais informação fosse enviada de uma vez só.

Segundo os pesquisadores, em teoria é possível melhorar a técnica até uma eficiência de 100%, quando então o teletransporte de qubits será viável para uso direto em computadores quânticos.

Para isso, a equipe planeja agora cascatear dois ou três sistemas similares ao que eles acabam de criar.

Não, a formiga não foi teletransportada - ela só serve para mostrar as dimensões do circuito supercondutor que realizou o primeiro teletransporte inteiramente de estado sólido. [Imagem: Jonas Mlynek/ETH Zurich]

Teletransporte de estado sólido

No segundo experimento, Lars Steffen e seus colegas do Instituto Federal de Tecnologia da Suíça teletransportaram seus qubits por uma distância muito menor: 6 milímetros.

Mas há duas grandes vantagens na técnica utilizada.

A primeira é que o teletransporte quântico foi feito usando um minúsculo circuito eletrônico de estado sólido, e não os enormes e delicados aparatos fotônicos - em vez da conexão óptica utilizada nos outros experimentos, a técnica usa circuitos supercondutores postos frente a frente.

A segunda vantagem é que o teletransporte é muito mais rápido, podendo transmitir até 10.000 qubits por segundo.

Isto coloca a abordagem dos pesquisadores suíços muito próxima da utilização prática em computadores quânticos, ainda que seja apenas para transmitir informações da memória para o processador, ou entre processadores.

Bibliografia:

Deterministic quantum teleportation with feed-forward in a solid state system, L. Steffen, Y. Salathe, M. Oppliger, P. Kurpiers, M. Baur, C. Lang, C. Eichler, G. Puebla-Hellmann, A. Fedorov, A. Wallraff. Nature, Vol.: 500, 319-322. DOI: 10.1038/nature12422

Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique, Shuntaro Takeda, Takahiro Mizuta, Maria Fuwa, Peter van Loock, Akira Furusawa. Nature, Vol.: 500, 315-318. DOI: 10.1038/nature12366

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=teletransporte-pratico-computacao-quantica&id=010110130816&ebol=sim

Livros gratuitos (free books)

        Segue abaixo alguns links que disponibilizam livros para serem baixados gratuitamente. Os livros estão em inglês e este blog não possui direitos autorais de nenhum deles. Nos limitamos apenas a divulgar os links! Para acessá-los, basta clicar nas imagens ou nos títulos.

Room-Temperature Superconductivity

 

Superconductivity - Theory and Applications

 Applications of High-Tc Superconductivity

 

Superconductor

 

 

Superconductors - Materials, Properties and Applications

 

 

Superconductors - Properties, Technology, and Applications

 

 

A desconhecida contribuição de Linus Pauling (Linus Pauling contributions for superconductivity)

Apesar de pouco conhecido, Linus Carl Pauling publicou quatro trabalhos em supercondutividade e depositou duas patentes. Em cada um deles, Pauling utilizou sua teoria da ressonância não-sincronizada das ligações covalentes para descrever o estado supercondutor em termos do mecanismo da transferência de elétrons.

Linus Carl Pauling

(1901-1994)

Sua teoria RVB foi formulada em 1949 e seu primeiro artigo contemplando a supercondutividade foi publicado em 1968. Em comparação com outras teorias, os trabalhos de Pauling não alcançaram visibilidade equivalente. Dos quatro artigos publicados por ele, o que teve maior repercussão possui 88 citações e versa qualitativamente a respeito dos high-T_C. Nele, Pauling descreve a supercondutividade nos cupratos como o resultado de uma combinação apropriada de diversos fatores, tais como: valência, eletronegatividade, raio atômico, interação crista-calha, etc. Nos demais artigos, Pauling demonstra a ocorrência da ressonância não-sincronizada no estado supercondutor e sua contribuição para o mesmo. Em seu ponto de vista, tanto a condutividade quanto a supercondutividade podem ser explicadas dentro do arcabouço teórico da RVB.

Para saber mais a respeito de seus trabalhos em supercondutividade, veja os seguintes textos:

1991: The structure of K₃C₆₀ and the mechanism of superconductivity. Proceedings of the National Academy of Sciences 88, pp. 9208-9209. Fonte: http://www.pnas.org/content/88/20/9208.full.pdf

1989: The role of the metallic orbital and of crest and trough superconduction in high temperature superconductors, em: R. M. Metzger (Ed.), High Temperature Superconductivity: The First Two Years, Gordon and Breach Scientific Publishers, New York, pp.309–313. Fonte: http://www.osti.gov/energycitations/product.biblio.jsp?osti_id=7051968

1987: Influence of valence, electronegativity, atomic radii, and crest-trough interaction with phonons on the high-temperature copper oxide superconductors. Physical Review Letters 59, nº 2, pp. 225-227. Fonte: http://prl.aps.org/abstract/PRL/v59/i2/p225_1

1968: The ressonating-valence-bond theory of superconductivity: crest superconductors and trough superconductors. Proceedings of the National Academy of Sciences 60, pp. 59-65. Fonte: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC539129/

      1988: More Evidence about the Resonating-Covalent-Bond Theory of Electric Conduction and Superconduction (Fluxon Theory) and the Significance of Crest and Trough Superconductors and Hypoelectronic and Hyperelectronic Metals, February 28. (trabalho não publicado) Fonte: http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/catalogue/pauling03_111-120.html

Para saber mais sobre a teoria RVB originalmente formulada por Pauling, recomendamos o artigo abaixo:

Costa, M. B. S.; Barros, K. A., A Teoria da Ressonância Não-Sincronizada das Ligações Covalentes. Revista Virtual de Química 2012, 4 (2), 130-145. Fonte: http://www.uff.br/RVQ/index.php/rvq/article/view/242/235

      As duas patentes depositadas por Pauling (veja abaixo) se referem a uma proposta de promover um aumento na temperatura crítica dos materiais supercondutores. Ele depositou várias outras em campos de pesquisa distintos, só citamos aqui aquelas de interesse.

1991: Method of Drawing Dissolved Superconductor, Patent No. 5,158,588, filed May 31, 1991. Fonte: http://www.patentbuddy.com/Patent/5158588

1990: Technique for Increasing the Critical Temperature of Superconducting Materials, Serial No. 07/626,723, filed December 12. Fonte: http://patentscope.wipo.int/search/en/WO1989012030

      “Por sua pesquisa na natureza da ligação química e sua aplicação para a elucidação da estrutura de substâncias complexas”, Pauling recebeu o prêmio Nobel de química em 1954. Anos depois recebeu o da paz em 1962. Entrou para a história da ciência como um dos maiores pesquisadores de todos os tempos e um pacificador de destaque. Para saber mais sobre sua obra, recomendamos o formidável link:

http://osulibrary.oregonstate.edu/specialcollections/coll/pauling/index.html

      Por fim, é oportuno destacar que o professor da UFPE, Antonio Carlos Pavão, desenvolve trabalhos com a teoria RVB desde a década de 80 e é o principal ícone do Brasil na área. Os diversos artigos do professor Pavão versam sobre magnetismo, supercondutividade, carcinogênese química, catálise, condutividade elétrica, etc. Em todos eles, a teoria RVB é empregada de modo a interpretar o fenômeno sob a óptica da transferência de elétrons. Recomendamos ao leitor ver os artigos do professor Pavão para um aprofundamento no tema.

Prof. Antonio Carlos Pavão

Principal pesquisador brasileiro da teoria RVB

Trem brasileiro de levitação magnética começa a ser construído (brazilian magnetic levitation train begins to be constructed)

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=trem-levitacao-magnetica-brasileiro&id=010170130523&ebol=sim

Com informações da Faperj - 23/05/2013

O trem de levitação magnética possui uma eficiência energética quase 20 vezes maior do que a de um ônibus a diesel. [Imagem: COPPE/UFRJ]

Levitação brasileira

Dentro de um ano, os frequentadores do campus da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ) poderão usar o primeiro trem que levita da América Latina.

Já começaram as obras da construção da estação de embarque do Maglev-Cobra, o trem de levitação magnética da Coppe/UFRJ, que ligará inicialmente os dois centros de tecnologia do campus.

A implantação do Maglev-Cobra é fruto de convênios firmados com o BNDES e com a FAPERJ (Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro), envolvendo investimentos de R$ 10,5 milhões.

Desenvolvido no Laboratório de Aplicações de Supercondutores (Lasup) da Coppe, sob a coordenação do professor Richard Stephan, o Maglev-Cobra terá capacidade para transportar até 30 passageiros em quatro módulos, que estão sendo construídos na Cidade Universitária pela empresa Holos.

“O Maglev-Cobra coloca o Brasil em lugar de destaque no desenvolvimento de tecnologias de levitação”, afirma o professor Richard Stephan.

Segundo ele, a China e a Alemanha estão criando, no momento, protótipos em laboratório com essa tecnologia, mas o Brasil já está construindo uma linha operacional.

O veículo que dispensa rodas, não emite ruído e nem gases de efeito estufa, entrará em operação em 2014, antes da Copa do Mundo, percorrendo um trajeto de 200 metros.

Supercondutores

Além de sustentável, o veículo também é econômico. Suas obras de infraestrutura chegam a ser 70% mais baratas do que as obras do metrô subterrâneo, com muito menos impacto na vida da cidade.

A construção de um metrô no Rio de Janeiro tem o custo de R$ 100 milhões por quilômetro. Já o trem de levitação, calculam os pesquisadores, poderá ser implantado por cerca de R$ 33 milhões por quilômetro.

“Na área de transporte público, podemos dizer que o Maglev é um dos veículos mais limpos do mundo, em termos de emissões. Trata-se de uma solução para o transporte urbano, perfeitamente adaptável a qualquer tipo de topografia”, ressalta Stephan.

O pioneirismo do Maglev-Cobra está na utilização da técnica de levitação com emprego de supercondutores e ímãs de terras raras.

Os supercondutores são refrigerados com nitrogênio líquido a uma temperatura de -196ºC. Um protótipo funcional utilizado hoje no laboratório de testes desliza por um trilho de 12 metros, com 8 passageiros.

Movido a energia elétrica, o Maglev possui baixo consumo de energia, cerca de 25 kJ/pkm (unidade que mede a quantidade de energia gasta para transportar cada passageiro por um quilômetro).

Para se ter ideia da vantagem da tecnologia em termos de eficiência energética, o consumo de um ônibus comum é de 400 kJ/pkm e o de um avião é de 1.200 kJ/pkm.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=trem-levitacao-magnetica-brasileiro&id=010170130523&ebol=sim

Mangueira magnética transporta magnetismo para múltiplos locais (Magnetic hose: Routing and Long-distance Transportation of Magnetic Fields)

Com informações da PhysicsWorld - 10/05/2013

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=mangueira-magnetica-transporta-magnetismo&id=010115130510&ebol=sim

 Mangueira magnética com uma entrada (esquerda) e duas saídas.

[Imagem: Carles Navau et al.]

Jorrando magnetismo

Em um experimento cujas implicações práticas ainda não foram totalmente exploradas, pesquisadores espanhóis mostraram recentemente que o magnetismo pode ser teletransportado.

Agora, a mesma equipe se juntou a colegas alemães para mostrar que há outras formas de carregar o magnetismo de um lado para o outro.

Carles Navau e seus colegas construíram uma "mangueira magnética" - uma espécie de mangueira de jardim que, em vez de transportar água, transporta campos magnéticos e os "despeja" onde forem necessários.

Segundo eles, a mangueira magnética poderá ser utilizada para criar uma ampla variedade de circuitos, da eletrônica e do armazenamento de dados tradicionais até uma nova forma de manipular os qubits dentro de um computador quântico.

Isto porque as mangueiras para o transporte de magnetismo podem ser feitas com dimensões que vão dos metros aos nanômetros, dependendo da necessidade.

Ondas e campos

A tecnologia atual explora à exaustão o fato de que as ondas eletromagnéticas podem ser transmitidas a grandes distâncias pelo ar, assim como a eletricidade ao longo de fios.

Mas o mesmo não acontece para campos elétricos e campos magnéticos estáticos, cujas magnitudes decaem rapidamente com a distância - a maior distância que os campos magnéticos têm sido transmitidos alcança poucos metros, como no interior dos núcleos dos transformadores.

Entraram então em ação os metamateriais, que permitem a alteração da trajetória das ondas eletromagnéticas pela transformação dos seus elementos constituintes, as ondas elétricas e os campos magnéticos - é a mesma técnica, chamada óptica transformacional, que é usada para criar os mantos de invisibilidade.

O objetivo dos pesquisadores era aplicar a óptica transformacional a campos estáticos para acoplar magneticamente dois sistemas quânticos - que podem ser qubits de um computador quântico.

A possibilidade de fazer múltiplas saídas do campo magnético foi descoberta depois que os pesquisadores observaram um defeito na camada supercondutora (marcação com X). À direita, os ganhos em eficiência das diversas camadas da mangueira magnética. [Imagem: Carles Navau et al.]

Condutor de magnetismo

Essencialmente, a mangueira magnética é formada por anéis concêntricos de ímãs cilíndricos envoltos por um supercondutor.

Bastam duas dessas camadas para transportar 75% de um campo magnético de uma extremidade à outra do cilindro - com 20 camadas é possível transportar 90% do campo magnético.

Mas isso não esgotou as possibilidades da técnica, e os cientistas demonstraram que é possível fazer "derivações" na mangueira magnética, despejando o campo magnético em outros pontos de um circuito mais complicado de cilindros.

Isto torna a mangueira magnética um análogo perfeito para os campos magnéticos daquilo que os fios são para a eletricidade - ou seja, o feito abre a possibilidade de construção de circuitos magnéticos.

Os pesquisadores acreditam que o transportador de campos magnéticos pode ser utilizado para manipular informações quânticas, por exemplo, dos spins de defeitos em pequenos cristais de diamante, conhecidos como vacâncias de nitrogênio.

Para funcionar como bits dentro de um computador quântico, esses spins devem ser endereçáveis independentemente com campos magnéticos, o que poderá ser feito com mangueiras magnéticas em nanoescala.

Bibliografia:

Magnetic hose: Routing and Long-distance Transportation of Magnetic Fields

Carles Navau, Jordi Prat-Camps, Oriol Romero-Isart, J. Ignacio Cirac, Alvaro Sanchez

arXiv http://arxiv.org/abs/1304.6300

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=mangueira-magnetica-transporta-magnetismo&id=010115130510&ebol=sim