Aplicações da Supercondutividade - O skate voador da Lexus

quinta-feira, 19 de junho de 2014

Pontos quânticos críticos na transição de fase normal-supercondutor (two-stage magnetic-field-tuned superconductor–insulator transition)





http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n6/full/nphys2961.html




      Pesquisadores do Instituto de Tecnologia de Tóquio desvendaram as complexidades das flutuações de fase quântica durante a transição supercondutor-isolante em supercondutores de alta temperatura. A transição supercondutor-isolante (SI) nos cupratos é normalmente feita pela aplicação de um campo magnético. No entanto, devido às complexidades da supercondutividade, muitas questões ainda devem ser respondidas sobre o processo exato que está subjacente à transição e as fases quânticas associadas que o material sofre. Os cientistas pensavam que os supercondutores de alta temperatura tinha um único ponto quântico crítico na transição supercondutor-isolante. Agora, uma equipe internacional de pesquisadores dos EUA e do Japão, descobriram uma transição de dois estágios no sistema LSCO (lantânio-estrôncio-cobre-oxigênio).

“A delicada interação de flutuações térmicas, flutuações quânticas e desordem, leva a um complexo diagrama de fase de matéria de vórtice H-T [campo magnético-temperatura]”, afirmam os autores em seu artigo publicado na revista Nature Physics

Os pesquisadores mediram a resistividade elétrica do material em campos magnéticos de até 18 T em diferentes temperaturas abaixo de 0,09 K, revelando a imagem completa do SI. Eles utilizaram uma variedade de LSCOs que tinham sido criados usando técnicas diferentes, de modo a separar os efeitos de preparação da amostra. A equipe de Sasagawa descobriu que os LSCOs mostram uma transição de fase em duas etapas induzida pelo campo magnético, a T = 0 K, antes de se tornarem isolantes. Primeiro, o material forma um estado supercondutor contendo a rede de vórtice conhecida como ‘‘vidro de Bragg’’. Nesta fase, o material apresenta resistividade zero a temperatura finita. Depois de um primeiro ponto crítico atingido, ele passa para uma fase supercondutora desordenada, ou ‘‘vidro de vórtice’’, em que o arranjo dos vórtices torna-se amorfo. Nesta fase, a resistividade zero só é obtida no zero absoluto. Depois de um segundo ponto crítico alcançado, a supercondutividade é perdida e os LSCOs tornam-se isolantes.

Os investigadores concluem: 

“Nossos resultados fornecem informações importantes sobre a interação da física de vórtices e a criticalidade quântica em supercondutores de alta temperatura, fazendo a ponte entre o seu comportamento na região ‘clássica’ de alta T e a menos explorada região 'quântica' de baixa T.”

O trabalho realizado pelos pesquisadores da Florida State University (liderada pelo professor Popovic) e Tokyo Institute of Technology (liderada pelo professor Sasagawa) prova pela primeira vez que supercondutores de alta temperatura (LSCO) passam por dois pontos quânticos críticos antes de se tornarem isolantes, devido ao sutil efeito das flutuações de temperatura e perturbações do campo magnético sobre o estado de vórtice. Sua pesquisa pode melhorar a compreensão da supercondutividade de alta temperatura sob campos magnéticos e fornecer uma informação importante sobre a aplicação de supercondutores de alta temperatura. 





segunda-feira, 16 de junho de 2014

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.

segunda-feira, 9 de junho de 2014

SuperMagLev Chinês: o maglev supercondutor asiático (chinese superconducting maglev)




        O primeiro maglev supercondutor tripulado da China foi testado com sucesso pelo Applied Superconductivity Laboratory of Southwest Jiaotong University (Laboratório de Supercondutividade Aplicada da Universidade Jiaotong).



O veículo ‘super-maglev’ fechado em um tubo foi revelado na universidade Jiaotong, cidade de Chengdu, província de Sichuan, na China. Ele foi testado com sucesso pelo Laboratório de Supercondutividade Aplicada, e poderia aumentar ainda mais a velocidade de trens de alta velocidade comercial. Na foto, um estudante indo para um passeio de teste


         O líder do projeto é o Dr. Deng Zigang, que tem desenvolvido a tecnologia há alguns anos. Em março de 2013 ele concluiu o primeiro teste do maglev no anel supercondutor de alta temperatura, que foi semelhante ao que você pode ver aqui, mas sem o tubo fechado. Mas agora a nova linha pode ser ajustada para inaugurar uma nova onda de trens mais rápidos do que nunca antes visto.
      O trem de transporte de passageiros mais rápido do mundo é atualmente o Shanghai Maglev Train, inaugurado em abril de 2004, que pode chegar a 268 milhas (431 km) por hora. A super-levitação magnética, no entanto, pode permitir velocidades ainda maiores. Isso porque, através da utilização de um tubo de vácuo, as limitações de velocidade impostas pela resistência do ar são removidas. Em um artigo sobre o assunto, o Dr. Zigang diz: “Se a velocidade de funcionamento for superior a 400 km por hora, mais de 83% de energia de tração será desperdiçada pela resistência do ar”. E acrescenta: “o ruído aerodinâmico vai ultrapassar 90 decibéis (o padrão ambiental é 75 decibéis)”. A única maneira de quebrar essa barreira é reduzir a pressão do ar no ambiente de funcionamento, o que ele fez no seu tubo, baixando-a para 10 vezes menos do que a pressão atmosférica normal, ao nível do mar. Sistemas ETT (Evacuated Tube Transport - Tubo de Transporte Evacuado) pode permitir que os ‘supermaglev’ alcancem velocidades em uma nova ordem de magnitude, como 3.000 km/h (1.800 milhas), o que poderia ser aplicado a alguns sistemas de lançamento militares ou espaciais.



Dr. Deng Zigang, professor associado do Laboratório de Supercondutividade Aplicada da Universidade Jiaotong, posa com a faixa onde o veículo super-maglev funciona. O círculo, a primeira linha do maglev supercondutor tripulado da China, é de 12 metros de diâmetro


         Para desenvolver o projeto, o Dr. Zigang teve que alcançar duas metas. “A primeira foi desenvolver um veículo maglev numa linha de anel supercondutor de alta temperatura que pudesse acelerar a uma velocidade de 25 km/h”. Esta meta foi alcançada em fevereiro de 2013, levando os pesquisadores a avançar para a próxima fase. “A segunda fase foi cobrir a linha do anel com um tubo de evacuação”, continua Dr. Zigang. “O veículo foi projetado para acelerar a uma velocidade máxima de 50 km/h, sem passageiros. Esta velocidade é limitada pelo pequeno raio do anel do trilho, que é de 6 metros. O significado do projeto é que ele vai ser o primeiro a fazer o protótipo do futuro tubo de transporte de evacuação. Neste momento, estamos realizando testes de evacuação no novo sistema. No futuro próximo vamos divulgar nossas realizações após execução bem sucedida.



Dr. Zigang opera um veículo super-maglev por controle remoto durante o período de experiência. Em um artigo ele afirma que tais sistemas podem atingir velocidades tão altas quanto 1.800 milhas (3.000 km) por hora

segunda-feira, 26 de maio de 2014

Cientistas descobrem nova fase magnética nos pnictídeos (new magnetic phase in iron-based superconductors)




         Pnictídeos são supercondutores à base de ferro que podem ser genericamente representados pela fórmula LnFeAsO1-xFx (Ln = lantanídeos). Estes são chamados de oxi-pnictídeos por conter oxigênio. Há também pnictídeos que não contêm oxigênio (Ba0.6K0.4Fe2As2, Ca0.6Na0.4Fe2As2, Sr0.5Sm0.5FeAsF). Estes sistemas foram descobertos pelo grupo do Hosono (clique aqui).
         Recentemente, uma equipe do U.S. Department of Energy's Argonne National Laboratory descobriu uma nova fase magnética. Segundo Ray Osborn, um dos autores do trabalho, “Estas nova fase magnética que nunca tinha sido observada antes, deve ter significativas implicações em nossa compreensão da supercondutividade não-convencional.” O artigo foi publicado no Nature Communications (clique aqui).
         Nestes compostos, a supercondutividade emerge quando a ordem de densidade de ondas de spin (SDW) é suprimida pela dopagem, pressão ou desordem atômica. A ordem magnética é antecipada pela ordem nemática, cuja origem é desconhecida. A ordem magnética afeta a estrutura atômica. À temperatura ambiente, os átomos de ferro situam-se numa rede quadrada, que tem uma simetria quádrupla, mas quando esfriado abaixo da temperatura de transição magnética, distorcem para formar uma estrutura retangular, com simetria dupla. Os pesquisadores do Argonne descobriram uma fase em que o material retorna à simetria quádrupla próxima do início da supercondutividade.
         “Nossa descoberta mostra que há um romance do estado magnético acima da supercondutividade”, disse Chmaissem, coautor do trabalho. “Além disso, este estado magnético compete com a supercondutividade e em temperatura mais baixa conseguem coexistir. Não há retorno para a simetria dupla. Isso foi completamente inesperado e é agora alvo de um extenso trabalho teórico.”
        
Difração de nêutron mostra o resultado do espalhamento numa amostra de BaFeAs dopado com Na (24%) no sítio do Ba. A ordem nemática se estabelece abaixo de 90 K, mas a simetria quádrupla é restaurada abaixo de 40 K. As estruturas atômica e magnética resultantes são ilustradas na figura à direita, onde as esferas azuis representam átomos de ferro e as setas vermelhas a direção de seus momentos magnéticos. Imagem por Jared Allred.


 Os pesquisadores utilizaram a difração de nêutrons que permite determinar as posições dos átomos e as direções dos seus momentos magnéticos microscópicos. Especula-se que isso pode ajudar a elucidar a supercondutividade nos pnictídeos e que tal explicação se estenda a outros supercondutores.

sábado, 17 de maio de 2014

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-TC 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 TC 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 TC. 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.

sábado, 22 de fevereiro de 2014

Supercondutividade é ligada e desligada com magnetismo (magnetic domains reveals spatially inhomogeneous superconductivity)


Redação do Site Inovação Tecnológica - 18/02/2014


Fonte:
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-ligada-desligada-magnetismo&id=010115140218&ebol=sim#.UwkPj86aegZ 




http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-ligada-desligada-magnetismo&id=010115140218&ebol=sim#.UwkPj86aegZ

Dependendo da orientação do campo magnético (H), a onda de densidade de spins (setas vermelhas e cinzas) pode se mover em direções diferentes, modulando a supercondutividade. [Imagem: Simon Gerber/PaulScherrer Institute]



Chave magnética para a supercondutividade


A supercondutividade e os campos magnéticos normalmente são vistos como rivais - campos magnéticos muito fortes destroem o estado supercondutor. Isso pelo que se sabia até agora. Um novo estado supercondutor que acaba de ser descoberto na verdade só surge quando o material é submetido a um forte campo magnético externo. Desta forma, a supercondutividade do material pode ser controlada - ligada e desligada - alterando a direção do campo magnético.

O material - uma liga complexa de cério, cobalto e índio (CeCoIn5) - é supercondutor a temperaturas muito baixas, mas tem sua supercondutividade destruída quando submetido a um campo magnético de 12 Tesla. O que se descobriu agora é que, antes que isso ocorra, surge um segundo estado supercondutor, o que significa que passam a coexistir dois estados supercondutores diferentes no mesmo material.

Simon Gerber e seus colegas do Instituto PaulScherrer, na Suíça, verificaram que o magnetismo faz emergir uma ordem antiferromagnética adicional, isto é, uma parte dos momentos magnéticos - pense neles como ímãs elementares - no material aponta num sentido, enquanto o restante aponta no sentido oposto. A interpretação mais provável para isso é que um novo estado quântico deve estar associado a esta ordem magnética.

“O comportamento observado no material é completamente inesperado e certamente não é um efeito puramente magnético,” explica o professor Michel Kenzelmann, líder da equipe. “Esta é uma clara indicação de que, neste material, o novo estado supercondutor ocorre junto com a onda de densidade de spin, o que também é esperado com base nos argumentos de simetria.”

Embora o novo estado ocorra em condições muito específicas e difíceis de obter, a possibilidade de controlar diretamente estados quânticos - sejam eles quais forem - pode ser importante no campo dos computadores quânticos.

“Ainda que esse material em particular provavelmente não será usado por causa das baixas temperaturas e fortes campos magnéticos necessários, nossos experimentos mostram com o que este tipo de controle pode se parecer,” disse Simon Gerber.


Bibliografia:

Switching of magnetic domains reveals spatially inhomogeneoussuperconductivity. Simon Gerber, Marek Bartkowiak, Jorge L. Gavilano, Eric Ressouche, Nikola Egetenmeyer, Christof Niedermayer, Andrea D. Bianchi, Roman Movshovich, Eric D. Bauer, Joe D. Thompson, Michel Kenzelmann. Nature Physics, Vol.: Published online DOI: 10.1038/nphys2833.

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