Pesquisadores traçam últimas descobertas de supercondutores à base de ferro (Scientists in China and US chart latest discoveries of iron-based superconductors)

Estrutura cristalina de diversos tipos de supercondutores à base de ferro. A = metal alcalino; Ae = alcalino terroso; Ln = lantanídeo; M = metal de transição

Em um artigo publicado no National Science Review, cientistas comentam as recentes descobertas acerca dos supercondutores à base de ferro (pnictídeos) que possuem elevadas temperaturas de transição (T_C). Eles apresentam uma visão geral das propriedades físicas, descrevem a dependência da temperatura de transição com a estrutura cristalina, a interação entre antiferromagnetismo e supercondutividade, e suas propriedades eletrônicas obtidas por espectroscopia de foto-emissão com resolução angular.

        “Tem sido um sonho obter supercondutores de alta-T_C ou à temperatura ambiente, o que pode revolucionar a transmissão de energia no mundo”, explicam os pesquisadores. Um impulso para acelerar esta pesquisa foi desencadeado pela descoberta, há quase duas décadas, de um cuprato supercondutor de alta T_C. A segunda classe de materiais de alta T_C são os supercondutores à base de ferro (pnictídeos), descobertos inicialmente em 2008. A maior T_C destes sistemas é 55 K para o SmO_1-XF_xFeAs.

        Até agora foram descobertas muitas famílias de pnictídeos supercondutores. “Estudar suas propriedades tem sido uma das principais atividades em física da matéria condensada nos últimos anos”, afirmam os autores do estudo.

        Várias técnicas novas e poderosas como espectroscopia de foto-emissão com resolução angular, microscopia de tunelamento, difração de nêutrons, ressonância magnética nuclear etc. foram aplicadas para examinar as propriedades dos novos compostos.

        Os pnictídeos possuem muitas características em comum com os cupratos. Ambos são supercondutores não convencionais no sentido de que fônons não desempenham papel dominante na supercondutividade. Ambos são quase-2D, e sua supercondutividade está na proximidade do antiferromagnetismo. Nos cupratos, a física de baixa energia é descrita por uma única banda, enquanto nos pnictídeos, existem múltiplos orbitais envolvidos. No entanto, alguns aspectos dos cupratos permanecem controversos. Aprofundar o conhecimento dos pnictídeos pode ampliar a compreensão da supercondutividade não convencional e fornecer uma nova rota para encontrar supercondutores a temperaturas mais elevadas. Mapeando avanços recentes, os autores descrevem a estrutura cristalina, a interação entre magnetismo e supercondutividade e a estrutura eletrônica de pnictídeos. No artigo, também são revisadas teorias vigentes sobre a supercondutividade.

Pnictídeos supercondutores estão próximos do antiferromagnetismo (AF), o que sugere que as flutuações de AF são responsáveis ​​pela supercondutividade. Investigar o mecanismo da supercondutividade deve priorizar, em parte, a causa do emparelhamento de elétrons. A descrição teórica da supercondutividade em cupratos e pnictídeos continua a ser um grande desafio. Pnictídeos são materiais multi-banda. Todos os cinco orbitais 3d do Fe hibridizam fortemente com os orbitais 4p do Se e têm contribuição de elétrons condutores itinerantes e localizados.

        Cientistas ainda estão tentando desenvolver uma imagem física clara com ferramentas teóricas confiáveis ​​para tratar um sistema eletrônico com forte acoplamento entre elétrons itinerantes e localizados. É igualmente importante conceber medidas experimentais que poderiam resolver uma série de problemas-chave, que por sua vez poderiam testar teorias sobre a supercondutividade em pnictídeos. Segundo os pesquisadores, “os progressos alcançados nos estudos do mecanismo da supercondutividade em pnictídeos poderiam ter um forte impacto sobre a teoria de sistemas quânticos fortemente correlacionados”.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-01-scientists-china-latest-discoveries-iron-based.html

Fonte2: http://nsr.oxfordjournals.org/content/early/2014/07/03/nsr.nwu007.full

Pesquisadores desenvolvem modelo computacional para prevê a ocorrência da supercondutividade (Rutgers team develops computational model for predicting superconductivity)

As 15 caixas nesta imagem mostram a intensidade simulada de excitações de spin em 15 materiais à base de ferro, incluindo os compostos de ferro que são supercondutores (imagens d-h). O eixo x mostra o momento da excitação de spin em locais selecionados do espaço 3D, o eixo y mostra a energia medida em eV. A cor indica a intensidade de excitações de spin com uma dada energia e quantidade de movimento, comparada com os resultados experimentais disponíveis (barras pretas nas imagens de f, g, l, m). Ao visualizar a dinâmica de spin de múltiplos materiais à base de ferro – informação que pode ser lenta e cara de obter experimentalmente – os pesquisadores podem prever melhor quais materiais são susceptíveis de serem supercondutores.

Pesquisadores que estudam supercondutores à base de ferro estão combinando novos algoritmos de estrutura eletrônica com o poder de computação de alto desempenho do supercomputador Titan para prever dinâmica de spin, ou as formas como os elétrons orientam e correlacionam seus spins em um material. Os pesquisadores sugeriram que a dinâmica de spin cria as condições necessárias para a supercondutividade. Esta abordagem poderia acelerar a busca por novos materiais supercondutores.

        Em um artigo da Nature Physics, os autores calcularam os fatores estruturais da dinâmica de spin - uma medida de como os spins se alinham um em relação ao outro a uma determinada distância – em 15 materiais diferentes à base de ferro, incluindo vários supercondutores. “Nossos resultados computacionais estão em boa concordância com os resultados experimentais e temos várias previsões para compostos que ainda não foram medidos”, disse Kotliar. “Uma vez validada a teoria de que os nossos modelos computacionais são baseados em experimentos, então podemos investigar computacionalmente materiais que não estão sendo estudados experimentalmente.”

        A computação oferece uma maneira para os pesquisadores entenderem melhor a dinâmica de spin e outras propriedades dos materiais em muitas condições, tais como a mudança de temperatura, em vez da condição singular do presente durante um determinado experimento. Também permite simular muitos materiais de uma só vez, e o número de potenciais materiais para explorar aumenta rapidamente à medida que os cientistas introduzem modificações para melhorar o desempenho.

Com o poder computacional disponível no sistema Titan de 27 petaflop, a equipe foi capaz de comparar e dinâmica de spin para todos os 15 materiais simulados de modo a identificar propriedades supercondutoras reveladoras.

        “Ao comparar simulações e experiências, aprendemos sobre qual tipo de flutuações de spin realmente promovem a supercondutividade e quais as que não o fazem”, disse Kotliar.

Em seu modelo, a equipe usou uma técnica chamada Dynamical Mean Field Theory (Teoria de Campo Médio Dinâmico, tradução livre) para reduzir o vasto número de interações envolvendo elétrons em uma célula unitária e atribuir a média dessas interações no ambiente de campo médio em todo o resto do sólido. A equipe usou o método Monte Carlo para selecionar estatisticamente as melhores soluções para estas técnicas, atingindo um novo nível de precisão da previsão para a dinâmica de spin nestes tipos de materiais.

        “Estes problemas complexos, como em supercondutores, onde você tem que resolver muitos graus de liberdade ou de um grande número de variáveis, exigem supercomputação em vez de computação em clusters menores”, disse Haule. “Nossos algoritmos são projetados para trabalhar de forma muito eficiente na arquitetura massivamente paralela do Titã.”

Usando 20 milhões de processadores-hora no Titã, a equipe também descobriu através da simulação de um novo estado supercondutor, ou o emparelhamento de elétrons, encontrada no composto de lítio-ferro arsênico, LiFeAs, que é consistente com os resultados experimentais.

        No futuro, eles planejam para simular a dinâmica de spin em outras classes de supercondutores e em matérias não supercondutores que são excepcionalmente difíceis de estudar experimentalmente, como materiais radioativos.

“Usar a computação como um substituto do experimento é um passo importante para a concepção de novos materiais”, disse Kotliar. “A próxima vez que alguém vier até nós com materiais potenciais para uma aplicação e perguntar: ‘Devo trabalhar sobre isso?’ Esperamos simular o material para selecionar os mais promissores.”

Fonte1: http://www.newswise.com/articles/iron-based-superconductor-simulations-spin-out-new-possibilities-on-titan

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3116.html

Mercado global supercondutor impulsionado pelo avanço em pesquisa de materiais à base de ferro (global superconductor market boosted by breakthrough in iron-based materials research)

       Supercondutores tiveram considerável exposição nos meios de comunicação não científicos devido a uma série de descobertas. No início de novembro, pesquisadores da Universidade de Rutgers usaram um supercomputador para desenvolver métodos que podem ser utilizados para identificar quais materiais têm propriedades supercondutoras. Usando milhões de horas de processamento do Titan de 27 petaflop para desenvolver algoritmos de estrutura eletrônica, os pesquisadores foram capazes de modelar a dinâmica de spin em materiais à base de ferro.

       O estudo publicado na revista Nature Physics, oferece novas formas de estudar a dinâmica de spin em materiais não supercondutores, potenciais materiais supercondutores e os materiais que apresentam barreiras para o estudo convencional, tais como aqueles com propriedades radioativas.

      O princípio básico da supercondutividade é relativamente simples. Quando arrefecido até uma temperatura suficientemente fria, alguns materiais permitem o fluxo de corrente elétrica sem qualquer resistência, abrindo um amplo espectro de aplicações potenciais, tais como os magnetos de alto desempenho, cabos de alimentação, limitadores de corrente, equipamento de ressonância magnética nuclear etc. Supercondutores são frequentemente utilizados por empresas de energia para melhorar o desempenho da rede. Uma empresa líder que usa a tecnologia de supercondutores é a American Superconductor, fornecedora de equipamentos elétricos em grande escala para a indústria de energia eólica. O valor de mercado da companhia foi de cerca de US $ 110 milhões, na sequência de uma atualização de resultados trimestrais no início deste mês.

      Embora a mecânica quântica por trás da supercondutividade de alta temperatura ainda ser pouco compreendida, na última década, a ciência tem feito progressos consideráveis com materiais à base de ferro. No início deste ano, pesquisadores do Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory expandiram a fronteira do conhecimento da supercondutividade e magnetismo em supercondutores à base de ferro.

       Pensava-se que magnetismo e supercondutividade não poderiam coexistir uma vez que supercondutores convencionais repelem campos magnéticos. Evidência experimental utilizando uma combinação da scanning transmission electron microscopy com a electron energy loss spectroscopy para caracterizar as propriedades magnéticas dos átomos individuais, indica que rápidas flutuações de momentos magnéticos locais estão correlacionadas com uma elevada temperatura crítica, e pode influenciar o desempenho de supercondutores à base de ferro.

       Além da American Superconductor Corp., as principais empresas que dominam este setor são Bruker Corp., Southwire Co., SuperPower Inc. e Sumitomo Electric Industries Ltd.

Fonte: http://www.companiesandmarkets.com/News/Information-Technology/Global-superconductor-market-boosted-by-breakthrough-in-iron-based-materials-research/NI9789