Supercondutividade: um fenômeno quântico macroscópico

 

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

  

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

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

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

Há algo além de elétrons na condução da eletricidade? (Is there anything besides electrons in the electrical conductivity?)

Redação do Site Inovação Tecnológica - 22/04/2013

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=eletrons-nao-suficientes-explicar-supercondutores&id=010115130422&ebol=sim

Elétrons não são suficientes para explicar supercondutores

As regras da condução elétrica não se aplicam aos supercondutores, materiais onde a eletricidade flui livremente, sem qualquer resistência. [Imagem: Philip Phillips]

A corrente elétrica tem sido explicada como um fluxo de elétrons correndo através de um material. Mas parece que esta pode não ser a história toda, pelo menos quando se chega ao limite da condutividade.

“A história da condução elétrica nos metais é contada inteiramente em termos de elétrons. Os supercondutores mostram que há algo completamente novo a ser compreendido, além daquilo que os elétrons estão fazendo,” afirma o Dr. Philip Phillips, da Universidade de Illinois.

Phillips e seus colegas mostraram que as regras dos livros-texto não se aplicam aos supercondutores, materiais onde a eletricidade flui livremente, sem qualquer resistência. Eles estudaram um tipo de material supercondutor conhecido como cuprato, essencialmente uma cerâmica à base de cobre.

Na física, o Teorema de Luttinger estabelece que o número de elétrons em um material é igual à soma dos elétrons em todos os seus átomos. Embora tenha-se mostrado válido para metais e semicondutores, o teorema falhou quando os pesquisadores estudaram os cupratos a fundo: em determinadas energias, a eletricidade que flui pelo supercondutor não pode ser explicada pela soma dos elétrons dos seus átomos.

“Este resultado está nos dizendo que a física [da condução elétrica] não pode ser descrita somente pelos elétrons," disse Phillips. "Isso significa que os cupratos são ainda mais estranhos do que se pensava: alguma outra coisa, diferente dos elétrons, está transportando a corrente.”

Agora, os pesquisadores estão explorando possíveis candidatos para as portadoras de carga adicionais, particularmente um novo tipo de excitação conhecida como unparticles (não-partículas). Estas partículas virtuais muito estranhas - não é à toa que elas são chamadas de "não-partículas" - também estão sendo propostas para explicar uma elusiva Quinta Força Fundamental da natureza.

Bibliografia:

Absence of Luttinger’s Theorem due to Zeros in the Single-Particle Green Function. Kiaran B. Dave, Philip W. Phillips, Charles L. Kane, Physical Review Letters, Vol.: 110, 090403

DOI: 10.1103/PhysRevLett.110.090403

Fonte:http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=eletrons-nao-suficientes-explicar-supercondutores&id=010115130422&ebol=sim