Criado o “estado escuro” em um qubit supercondutor (Quantum physicist tame a so-called 'dark state' created in a superconducting qubit)

Esquemática da sequência de pulsos durante o STIRAP (passagem adiabática Raman estimulada)

Uma equipe de físicos na Universidade Aalto liderada pelo Dr. Sorin Paraoanu conseguiu domar o famoso “estado escuro”, criado em um qubit supercondutor. Um qubit supercondutor é um átomo artificial fabricado num chip de silício como um circuito elétrico de capacitores e junções túnel. Essa tecnologia é uma das mais promissoras para a construção de computadores quânticos.

       No experimento, o circuito foi operado em um regime em que já não absorve ou emite ondas eletromagnéticas, de certa frequência, como se ele estivesse escondido sob uma capa de invisibilidade - daí o termo “estado escuro”. Em seguida, usando uma sequência de pulsos de micro-ondas cuidadosamente trabalhada, a equipe empregou o estado escuro para realizar uma transferência de energia do estado fundamental para o segundo nível, sem popular o primeiro. A quantidade de energia transferida neste processo corresponde a um único fóton de micro-ondas. Isto é verificado por meio de tomografia quântica - uma técnica de reconstrução da função de onda (em geral, a matriz de densidade) pela aplicação de rotações em um espaço abstrato de qubit seguido pelas medições.

       “A correspondência entre os dados experimentais e o modelo teórico é bastante notável, e isso nos dá confiança de que entendemos o que está acontecendo e podemos controlar este sistema quântico. Isso demonstra que os sistemas de três níveis (também chamados qutrits) podem ser usados em processadores quânticos em vez dos qubits normais de dois níveis”, afirma Antti Vepsäläinen, que implementou esta técnica e realizou simulações numéricas.

       E há outro fato notável sobre a experiência: para realizar a transferência, os pesquisadores usaram uma sequência não-intuitiva, aplicando no início um pulso que acopla o primeiro nível com o segundo e só depois de algum tempo, o pulso acopla o nível fundamental com o primeiro nível.

       “Suponha que você queira viajar de Helsinki para Nova York e você tem que mudar o seu voo em Londres", explica Paraoanu. “Normalmente, você primeiro voa de Helsinki para Londres, e depois de esperar algum tempo no aeroporto de Londres, embarca no voo Londres-Nova York. No mundo quântico seria melhor você embarcar no avião de Helsinki a Londres em algum momento após o voo Londres-Nova Iorque ter decolado. Você não iria gastar tempo em Londres e chegaria a Nova York no momento em que o avião partindo de Hesinki aterrissasse em Londres.” Isso é espantoso, mas a experiência mostra que está de fato acontecendo.

       Além da importância para a computação quântica, o resultado também tem implicações conceituais profundas. Grande parte da nossa compreensão da realidade baseia-se no chamado princípio da continuidade: a ideia de que influências se propagam daqui para lá, passando por todos os lugares intermediários. Objetos reais não aparecem em algum lugar do nada. Mas a experiência parece desafiar isso. Como em um grande show de mágica, a física quântica permite que as coisas se materializarem aqui e ali, aparentemente do nada.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-quantum-physicist-so-called-dark-state.html

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2016/160223/ncomms10628/full/ncomms10628.html

Supercondutores podem detectar a matéria escura (Superconductors could detect superlight dark matter)

Um conjunto maciço de galáxias conhecidas como Abell 1689, captadas pelo Hubble. A lente gravitacional observada pelo Hubble em Abell 1689 indica a presença de matéria escura. Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team, ESA

      Muitas experiências estão atualmente à procura de matéria escura, substância invisível que os cientistas sabem que existe pelo seu efeito gravitacional sobre estrelas, galáxias e outros objetos. Na Terra, os cientistas estão usando aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), para procurar a matéria escura. Embora os pesquisadores tenham varrido todas as suas bases de localização, esses detectores podem não ser sensíveis o suficiente para detectar a matéria escura se a massa da matéria escura for menor do que 10 GeV (10 bilhões de elétrons-volt).

       Para resolver este problema, os físicos estão trabalhando no desenvolvimento de detectores mais sensíveis. Em um novo estudo, os cientistas propuseram um novo tipo de detector feito de supercondutores. A matéria escura tem uma massa na faixa de 1 keV (1000 elétrons-volt) a 10 GeV, até um milhão de vezes mais leve do que o próton.

       “A maior importância do nosso trabalho é a capacidade potencial para detectar a matéria escura com massa entre mil a um milhão de vezes mais leve do que a massa do próton,” disse Kathryn M. Zurek, uma das principais pesquisadoras envolvidas no trabalho. “Detectores supercondutores são a única proposta para a matéria escura nesta faixa de massa”.

       Embora a maior parte da matéria escura não interaja com qualquer coisa, os cientistas assumem que ela interage com a matéria comum de alguma forma, ou então eles não poderiam detectá-la no laboratório. Mas não está claro se a matéria escura interage com os elétrons, núcleos, ambos, ou qualquer outra coisa.

       Em geral, os detectores de matéria escura são baseados no princípio de que, se uma partícula de matéria escura atingisse o detector e interagisse com ele, a colisão iria produzir outros tipos de partículas, tal como um fóton ou fônons (um quanta de vibração) numa energia específica. O material do detector é de extrema importância, pois a interação entre a matéria escura e o detector determina as propriedades específicas da partícula que é produzida. Alguns dos detectores mais sensíveis são feitos hoje em dia de xenônio líquido (detector de LZ), cristal de germânio (SuperCDMS), e outros materiais semelhantes.

       No novo estudo, os físicos mostraram que um detector de matéria escura feito de um supercondutor, tal como alumínio ultrapuro, pode ser o material mais sensível, capaz de detectar a matéria escura com uma massa de algumas centenas de keV ou menos. A sensibilidade resulta do fato de que os supercondutores possuem um band gap de zero ou muito próximo de zero. O alumínio, por exemplo, tem um pequeno gap na faixa de 0,3 MeV (0,0003 eV).

       A ideia é que uma das partículas de matéria escura que pode estar constantemente fluindo através da Terra espalhe um elétron livre no supercondutor. Em um supercondutor, os elétrons livres estão ligados em pares de Cooper com uma energia de ligação de 0,001 eV. Se uma partícula de matéria escura tem energia suficiente para promover um elétron acima do gap do material, ele vai quebrar o par de Cooper. Desta forma, o supercondutor absorve a energia da partícula de matéria escura. Em seguida, um segundo dispositivo (um calorímetro) mede a energia térmica depositada no absorvedor, proporcionando evidência direta da partícula de matéria escura.

       Os físicos preveem que melhorias razoáveis ​​na tecnologia de detector de corrente pode tornar este conceito viável no futuro próximo. Um dos maiores desafios será reduzir o ruído a partir de fontes diferentes da matéria escura, como o térmico e o ambiental. Se o detector supercondutor puder ser construído, ele irá fornecer o teste mais sensível até o momento da matéria escura e dar aos cientistas uma chance melhor de descobrir do que é feita a maior parte da matéria no universo.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-superconductors-superlight-dark.html

Fonte2: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Grafeno transformado em um supercondutor (Wonder material graphene has been turned into a superconductor)

Estas folhas de grafeno foram cultivadas em um cristal de carbeto de silício (SiC). A equipe mostrou que, quando a temperatura atinge cerca de 4 K (-269 °C), a resistência elétrica do material despenca rapidamente - uma clara indicação da supercondutividade.

       Pesquisadores no Japão descobriram uma maneira de fazer o grafeno se tornar supercondutor. A nova propriedade contribui para a lista dos impressionantes atributos do grafeno, como o fato de ser mais forte do que o aço, mais duro que o diamante e incrivelmente flexível. Porém, ainda não há muitos motivos para comemorar: a supercondutividade no grafeno ocorreu a -269 °C, muito baixa para aplicações, por exemplo, em linhas de transporte de energia.

       Mas o que é interessante, é que esta pesquisa sugere que o grafeno pode ser usado para construir dispositivos eletrônicos de alta velocidade em escala nanométrica. Imaginem toda a eletricidade que poderia ser “salva” em computadores contendo pequenos circuitos de grafeno, capazes de ampliar o transporte de elétrons sem desperdício de energia.

       Para aqueles que não estão familiarizados com o grafeno, o material é uma camada de um átomo de espessura de carbono (grafite, o material que compõe o seu lápis), dispostos em um padrão hexagonal.

       Os elétrons dentro do grafeno exibem um estado especial chamado cone de Dirac, no qual se comportam como se não possuíssem massa. Isso tornar os elétrons muito rápidos, fazendo do grafeno um condutor muito eficiente, porém, ele não é um supercondutor.

       Agora, uma equipe da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tóquio conseguiu verificar a supercondutividade no grafeno através da dopagem de átomos de cálcio entre duas folhas de grafeno.

       A supercondutividade geralmente ocorre com o emparelhamento de elétrons em pares de Cooper. Os pesquisadores ficaram estimulados por saberem que isso está ocorrendo em um material onde os elétrons se comportam como se não tivessem massa.

       No ano passado, os pesquisadores foram capazes de tornar o grafeno supercondutor, revestindo-o com lítio, mas a equipe japonesa já tinha alcançado a mesma coisa com o material em seu estado original.

       Eles mostraram que a supercondutividade não ocorre com as duplas camadas de grafeno sozinhas, ou quando as reveste com lítio, o que sugere que os átomos de cálcio são os responsáveis pela supercondutividade no grafeno dopado.

Se os pesquisadores descobrirem o que está acontecendo, serão capazes de ajustar o processo e encontrar uma maneira de conseguir a supercondutividade no grafeno em temperaturas mais altas.

Como mencionado anteriormente, é improvável que o grafeno seja usado para construir linhas de energia, mas pode revolucionar nossos computadores.

       “Os últimos resultados preparam o caminho para o desenvolvimento de nanodispositivos supercondutores de ultra-alta velocidade, como um dispositivo de computação quântica que utiliza supercondutor em seu circuito integrado”, segundo a universidade de Tohoku.

Fonte1: http://www.sciencealert.com/wonder-material-graphene-has-been-turned-into-a-superconductor

Fonte2: pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Supercondutividade induzida por laser (Superconductivity: footballs with no resistance)

Laser intenso remove a resistência elétrica de uma camada do cristal de K₃C₆₀, uma molécula contendo 60 átomos de carbono semelhante à bola de futebol. Isto é observado a temperaturas de -170 °C. © J. M. Harms

Físicos do Instituto Max Planck usaram pulsos de laser no K₃C₆₀, e por uma fração de segundo, observaram o estado supercondutor acima de 100 K, cerca de -170 °C. Como fulerenos têm uma estrutura química relativamente simples, os pesquisadores esperam ser capazes de obter uma melhor compreensão do fenômeno da supercondutividade induzida por luz através de suas novas experiências. Esses insights podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduz eletricidade à temperatura ambiente, sem perdas e sem excitação óptica.

Andrea Cavalleri e seus colegas pretendem preparar o caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores à temperatura ambiente. Sua observação de que os fulerenos, quando excitados com pulsos de laser tornam-se supercondutores, leva a um passo mais perto de alcançar este objetivo. Esta descoberta pode contribuir para uma compreensão mais profunda da supercondutividade induzida por luz, uma vez que é mais fácil formular uma explicação teórica para os fulerenos do que para os cupratos. Uma explicação completa deste efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a terem uma melhor compreensão da supercondutividade de alta temperatura e fornecer uma receita para um supercondutor artificial à temperatura ambiente.

Em 2013, pesquisadores do grupo de Andrea Cavalleri demonstraram que, sob certas condições, pode ser possível um material ser supercondutor à temperatura ambiente. Um óxido cerâmico que pertence à família dos cupratos se tornou supercondutor sem qualquer resfriamento durante alguns trilionésimos de segundo quando os cientistas usaram um pulso de laser infravermelho. Um ano mais tarde, cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.

Eles observaram que, na sequência de excitação com o flash de luz, os átomos mudam de posição. Esta mudança persiste no estado supercondutor. Em termos gerais, a mudança de posição induzida pela luz na estrutura abre caminho para que os elétrons se movam através da cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da estrutura cristalina altamente específica dos cupratos. Como o processo foi entendido na época, poderia ter envolvido um fenômeno que só surge neste tipo de materiais.

A equipe comandada por Cavalleri, se perguntou se a luz também pode quebrar a resistência elétrica de mais supercondutores tradicionais.

As moléculas do K₃C₆₀ consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera compreendendo pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de íons de potássio carregados positivamente intercalados, que funcionam como um tipo de cimento, os fulerenos carregados negativamente se unem uns aos outros para formar um sólido. Este assim chamado fulleride alcalino é um metal que se torna supercondutor abaixo de -250 °C.

Os pesquisadores irradiaram o fulleride alcalino com pulsos de luz infravermelhos de alguns bilionésimos de um microssegundo e repetiram o experimento em uma gama de temperaturas entre a temperatura crítica e a temperatura ambiente. Eles definiram a frequência da fonte de luz para que produzisse vibrações nos fulerenos. Isto faz com que os átomos de carbono oscilem de tal maneira que os pentágonos se expandam e contraiam. Espera-se que esta alteração na estrutura gere a supercondutividade em temperaturas elevadas de uma forma semelhante ao processo dos cupratos.

Para testar isso, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulso de luz, ao mesmo tempo do pulso de infravermelhos, ainda que a uma frequência de terahertz. A força com que este pulso é refletido indica a condutividade do material. O resultado foi uma condutividade extremamente alta. “Estamos bastante confiantes de que induzimos a supercondutividade a -170 °C”, diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das maiores temperaturas críticas observada fora da classe dos cupratos.

“Agora estamos planejando a realização de outras experiências que nos permitirão chegar a uma compreensão mais detalhada dos processos vistos aqui”, diz Nicoletti. O que eles gostariam de fazer agora é analisar a estrutura cristalina durante a excitação com a luz infravermelha. Como era anteriormente o caso do cuprato, isto deve ajudar a explicar o fenômeno. Os pesquisadores, então, gostariam de irradiar o material com pulsos de luz que duram muito mais tempo. “Embora isso seja tecnicamente muito complicado, poderia estender a vida útil da supercondutividade, tornando-se potencialmente relevante para aplicações”, conclui Nicoletti.

 

Fonte1: http://www.mpg.de/9949877/superconductivity-fullerenes-light-induced

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16522.html

Calor transportado por 1 metro esfria chips a distância

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/02/2016

Ilustração artística do calor quanticamente limitado transportado por longas distâncias usando fótons de micro-ondas. [Imagem: Heikka Valja]

Transporte de calor

Em um avanço marcante em física, pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, conseguiram transportar o calor com eficiência máxima a uma distância 10.000 vezes maior do que a que já havia sido conseguida.

Isso significa que o aparato de dissipação de calor pode ficar distante do local onde o calor é gerado - o dissipador e o exaustor podem ficar longe do processador, por exemplo.

Além disso, a técnica permitirá a utilização de metais comuns juntamente com supercondutores, tudo no mesmo chip, o que dará um novo impulso à construção de processadores quânticos, nos quais o calor é sinônimo de "ruído", que faz os qubits perderem seus dados. E inúmeras outras aplicações são possíveis.

“A longa distância alcançada pelos nossos experimentos pode, por exemplo, levar à construção de motores de calor mesoscópicos de eficiência total, com promissoras aplicações práticas,” disse o professor Mikko Mottonen, cuja equipe já havia tirado proveito de técnicas especiais de resfriamento para criar nós quânticos.

Transmissão de calor a distância

Nos experimentos, o calor foi transmitido com eficiência a uma distância de até 1 metro, uma enormidade para todas as aplicações quânticas e longe o suficiente para permitir aplicações em macroescala.

“Para os processadores de computador, um metro é uma distância extremamente longa. Ninguém pensa em construir um processador tão grande,” disse Mikko Mottonen.

O que é inovador no trabalho é a utilização de fótons - partículas de luz - para transferir calor. Nada exatamente radical, já que são fótons que trazem o calor do Sol para a Terra, mas, até hoje, a tecnologia vinha utilizando elétrons.

“Nós conseguimos esta melhoria de quatro ordens de grandeza na distância utilizando fótons de micro-ondas viajando em linhas de transmissão supercondutoras. Assim, parece que a condução de calor quanticamente limitado não tem distâncias máximas fundamentais. Este trabalho estabelece a integração de componentes de metal normal no quadro do circuito de eletrodinâmica quântica, que está na base do computador quântico supercondutor,” escreveu a equipe.

Bibliografia:
Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances. Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Makela, Tuomo Tanttu, Mikko Mottonen. Nature Physics. Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nphys3642. http://arxiv.org/abs/1510.03981

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=calor-transportado-1-metro-esfria-chips-distancia&id=010110160215

Campo de força magnético protegerá astronautas contra radiação

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/02/2016

O campo de força magnético será gerado por fios supercondutores feitos de diboreto de magnésio (MgB₂). [Imagem: SR2S/Giorgina Colleoni/Valerio Calvelli]

        Enquanto a NASA se prepara para testar um escudo magnético para proteger as naves contra o calor na reentrada na atmosfera, a ESA (Agência Espacial Europeia) trabalha em um conceito similar para proteger os astronautas contra a radiação espacial.

        Os esforços foram concentrados em um projeto chamado SR2S (Space Radiation Superconducting Shield - Escudo Supercondutor contra Radiação Espacial).

        As primeiras informações sobre o projeto foram divulgadas no ano passado por físicos do LHC, que se juntaram ao projeto para compartilhar sua larga experiência no uso dos ímãs supercondutores que deverão gerar o escudo antirradiação espacial.

        Agora a equipe europeia anunciou a conclusão do projeto básico, afirmando que “agora têm o conhecimento e as ferramentas necessárias para desenvolver escudos magnéticos para proteger os astronautas da exposição à radiação causada pelos raios cósmicos galácticos”.

        A escolha do supercondutor recaiu mesmo sobre o diboreto de magnésio (MgB₂) para gerar o campo de força antirradiação, conforme anunciado inicialmente pela equipe do LHC.

        Os fios e cabos supercondutores serão dispostos de forma a gerar um campo que os engenheiros chamaram de “estrutura abóbora”, devido ao formato das linhas de força do escudo.

        “Esta é uma configuração de escudo ativo que é crucialmente leve e, portanto, adequada para as missões de longa duração no espaço profundo. A estrutura funciona reduzindo o material atravessado pelas partículas incidentes, evitando assim a geração de partículas secundárias e, por decorrência, gerando um escudo mais eficiente,” diz o comunicado do projeto.

        Esse “escudo abóbora” deverá gerar um campo magnético 3.000 vezes mais forte do que o da Terra, suficiente para projetar um campo de força de 10 metros ao redor da nave, desviando os raios cósmicos incidentes e, desta forma, protegendo os astronautas em seu interior.

Visualização artística de uma nave para voos de longa duração com o escudo antirradiação implantada ao seu redor. [Imagem: SR2S/Giorgina Colleoni/Valerio Calvelli]

        A grande restrição do projeto era o peso da estrutura geradora do campo de força, já que a adição de 1 kg à massa de uma espaçonave aumenta o custo da missão como um todo em U$ 15.000.

        Contudo, no espaço os ímãs supercondutores estarão em seu ambiente natural, dispensando os caros e pesados equipamentos de refrigeração necessários para mantê-los a quase -200° C. No frio do espaço, as naves estarão naturalmente em temperaturas próximas a essa.

        “Ainda poderão ser necessários muitos anos até que essa tecnologia esteja pronta para ser implantada de forma ativa nas missões espaciais tripuladas ao espaço profundo, mas mais testes da tecnologia SR2S continuarão a ser realizados no curto e médio prazos,” concluiu a nota.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=campo-forca-magnetico-protegera-astronautas-contra-radiacao&id=010130160210