Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim

Estaneno: A um passo da supercondutividade a temperatura ambiente

Redação do Site Inovação Tecnológica -  06/08/2015

O estaneno é um isolante topológico, um tipo de material no qual os elétrons comportam-se de forma diferente quando se movem no interior ou nas bordas do material. [Imagem: Feng-feng Zhu et al. - 10.1038/nmat4384]

Supercondutor quente

Os físicos acreditam estar a um passo de comprovar a previsão teórica da existência de um material supercondutor a temperatura ambiente.

Há dois anos, uma equipe das universidades Tsinghua (China) e Stanford (EUA) previu a existência do estaneno, uma folha de estanho com um único átomo de espessura - assim como o grafeno é uma folha monoatômica de carbono.

Embora já se saiba que o grafeno foi apenas o começo nesse reino emergente de materiais monoatômicos, o que causou alvoroço é que os cálculos teóricos indicam que o estaneno será um supercondutor a temperatura ambiente.

Os supercondutores, materiais que conduzem eletricidade sem perdas, já têm muitos usos, mas precisam de temperaturas criogênicas para atingir o estado de resistência elétrica zero, o que inibe seu uso na maioria das aplicações.

Estaneno real

Agora, o grupo conseguiu pela primeira vez sintetizar o estaneno em laboratório. Eles criaram um vapor de estanho em um ambiente de vácuo e deixaram que os átomos se depositassem sobre um substrato, comprovando que o elemento realmente se cristaliza na forma prevista, formando o tão esperado estaneno.

O problema é que a deposição até agora só funcionou bem em uma placa de telureto de bismuto, um material que interfere com o estaneno, impedindo que a amostra fosse utilizada para comprovar a supercondutividade.

A equipe, assim como vários outros grupos ao redor do mundo, continuam em busca de uma forma mais simples e mais robusta de produzir o material, que eles acreditam funcionar como um isolante topológico, um tipo de material no qual os elétrons comportam-se de forma diferente quando se movem no interior ou nas bordas do material.

Em um isolante topológico, os portadores de carga, como os elétrons, viajam em uma direção que é dependente do seu spin. A corrente elétrica não é dissipada porque a maioria das impurezas não afeta o spin, não retardando os elétrons, advindo assim a supercondutividade.

Bibliografia

Epitaxial growth of two-dimensional stanene
Feng-feng Zhu, Wei-jiong Chen, Yong Xu, Chun-lei Gao, Dan-dan Guan, Can-hua Liu, Dong Qian, Shou-Cheng Zhang, Jin-feng Jia, Nature Materials, Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nmat4384

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=estaneno-supercondutividade-temperatura-ambiente&id=010165150806&ebol=sim#.VcenGvnWGY9

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.

Estaneno: primeiro supercondutor a temperatura ambiente? (first superconductor at room temperature?)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2013

A adição de átomos de flúor (amarelo) a uma camada atômica de estanho - o estaneno - poderá resultar no primeiro supercondutor a temperatura ambiente. [Imagem: Yong Xu/Tsinghua University/Greg Stewart/SLAC]

Estaneno

Em tempos de materiais-maravilha à base de carbono, parecia que nada poderia superar os nanotubos - até surgir o grafeno. Mas agora cientistas estão pedindo que o grafeno dê um passinho à frente, cedendo espaço para o recém-chegado "estaneno".

         Estaneno é uma folha unidimensional - formada por apenas uma camada de átomos - do metal estanho, símbolo químico Sn. O estaneno promete ser nada menos do que o primeiro supercondutor à temperatura ambiente, transportando eletricidade com 100% de eficiência.

         É o que garantem Yong Xu e seus colegas das universidades Tsinghua (China) e Stanford (EUA):

“O estaneno poderá aumentar a velocidade e diminuir o gasto de energia das futuras gerações de chips de computador, caso nossas previsões sejam confirmadas por experimentos que estão em andamento em vários laboratórios ao redor do mundo,” disse o professor Shou-cheng Zhang, coordenador do estudo.

Isolantes topológicos

Os resultados são fruto do trabalho com os isolantes topológicos, uma classe de materiais muito promissores devido à sua característica de conduzir eletricidade apenas na sua superfície externa, mas não em seu interior.

Em 2011, outra equipe já havia apontado que um isolante topológico mais complexo poderia ser magnético e supercondutor.

         Isso porque, ao se destacar a camada externa desses materiais, eles devem conduzir eletricidade com 100% de eficiência, ou seja, são supercondutores.

“A magia dos isoladores topológicos é que, pela sua própria natureza, eles forçam os elétrons a mover-se em faixas definidas, sem qualquer limite de velocidade, como nas autobans alemãs,” explicou Zhang. “Enquanto eles estiverem na via rápida - as bordas ou as superfícies - os elétrons vão viajar sem resistência.”

Mas nenhum dos isolantes topológicos conhecidos até agora se tornaria um condutor perfeito de eletricidade à temperatura ambiente.

         O que os novos cálculos indicam é que isto pode ser possível com uma única camada de átomos de estanho - um estaneno.

Supercondutores no interior de chips resultarão em processadores que consomem menos energia e esquentam menos. [Imagem: Yong Xu et al./PRL]

Chips supercondutores

Os cálculos indicam que uma única camada de estanho seria um isolante topológico não apenas sob temperaturas agradáveis para o ser humano, mas também a temperatura mais altas.

         Por exemplo, com a adição de átomos de flúor ao estanho, sua gama de funcionamento se estenderia a pelo menos 100 graus Celsius.

         Segundo os pesquisadores, se os experimentos confirmarem seus cálculos teóricos, o estaneno deverá estrear na conexão interna dos chips, permitindo a troca de dados mais rápida e gastando muito menos energia - o que se traduziria em processadores que esquentam menos.

         É claro que, para isso, terão que ser vencidas as mesmas dificuldades de fabricação de um material 2D com que atualmente se deparam os pesquisadores que tentam trabalhar com o grafeno.

Bibliografia:

Large-Gap Quantum Spin Hall Insulators in Tin Films

Yong Xu, Binghai Yan, Hai-Jun Zhang, Jing Wang, Gang Xu, Peizhe Tang, Wenhui Duan, Shou-Cheng Zhang

Physical Review Letters

Vol.: 111, 136804

DOI: 10.1103/PhysRevLett.111.136804

http://arxiv.org/abs/1306.3008

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=estaneno&id=010165131125