Descoberto novo supercondutor orgânico a altas pressões (a single-component molecular superconductor)

O sistema usado para induzir a supercondutividade numa molécula orgânica. Crédito: © 2014 American Chemical Society

Três décadas atrás, os pesquisadores descobriram que certas moléculas orgânicas tornam-se supercondutoras a baixas temperaturas. Essa descoberta provocou inúmeras investigações sobre as propriedades destes materiais. Apesar dos importantes progressos recentes, os químicos permanecem intrigados com um aspecto: todos os supercondutores moleculares conhecidos precisam da ação cooperativa de duas ou mais espécies moleculares diferentes para mover elétrons sem resistência. Recentemente, porém, pesquisadores descobriram o primeiro supercondutor molecular contendo apenas um componente.

Cristais orgânicos supercondutores são projetados em torno do princípio da transferência de carga, onde fortes interações entre grupos 'doadores' e 'receptores' movem elétrons através de ligações de carbono normalmente isolante. Submetendo o sistema de transferência de carga a altas pressões, é possível anular a resistência elétrica em temperaturas próximas do zero absoluto.

Os supercondutores moleculares contendo grupos doadores e receptores de elétrons são normalmente compostos iônicos individuais. No entanto, a equipe de Kobayashi liderou recentemente investigações sobre complexos de metal-ditiolato que contêm um sistema de transferência de carga completa em uma única molécula. Estes cristais, em que um átomo central de ouro ou níquel é flanqueado em ambos os lados por anéis aromáticos doadores, possuem alta condutividade intrínseca e exibem comportamento metálico a temperaturas baixas.

Depois de explorar inúmeros derivados sintéticos de ditiolato-metal, eles encontraram um composto promissor, nickel bis (trifluoromethyl) tetrathiafulvalenedithiolate (Ni(hfdt)₂). Esta molécula com grupos terminais fluorados volumosos em seus anéis desencadeiam empilhamento de camada em duas dimensões, um arranjo cristalino altamente favorável para a condutividade.

Depois de manipular cuidadosamente cristais feitos sob medida, a equipe mediu seu comportamento elétrico em função da pressão e temperatura. A uma pressão de 8.1 gigapascais, eles descobriram que a resistividade cai abruptamente a zero, a uma temperatura de 5,5 Kelvin. Cálculos teóricos confirmaram os dados experimentais, revelando o ponto crítico em que a pressão converte o Ni(hfdt)₂ de isolante para supercondutor.

“Este composto simples, não só tem o potencial de trazer avanços em dispositivos orgânicos de estado sólido, mas também irá ajudar na concepção de novos sistemas supercondutores”, diz Cui.

Mais informações (clique aqui): Cui, HB, Kobayashi, H., Ishibashi, S., Sasa, M., Iwase, F., Kato, R. & Kobayashi, A.A. Single-Component Molecular Superconductor. Journal of the American Chemical Society 136, 7619-7622 (2014). DOI: 10.1021/ja503690m

Fonte: http://phys.org/news/2014-07-solitary-superconductor-emerges-pressure.html

Teletransporte entre qubits supercondutores (opto-magneto-mechanical quantum interface between distant superconducting qubits)

         Pesquisadores desenvolveram uma forma de chips supercondutores comunicarem uns com os outros a longas distâncias através de uma fibra óptica, permitindo que o entrelaçamento quântico ou teletransporte (passos fundamentais para a construção de uma internet quântica) Idealizado pelo Dr. Keyu Xia e Jason Twamley do Centro de Excelência da Universidade de Macquarie, e o Dr. Michael Vanner na Universidade de Queensland. Sua ideia fez uso dos minúsculos campos magnéticos gerados pelos chips quânticos para alterar as propriedades de uma cavidade óptica, por meio de um material ‘magnetoestritivo’. Um material que é ‘magnetoestritivo’ expande fisicamente na presença de um campo magnético. A equipe foi capaz de mostrar como os campos magnéticos de chips quânticos podem se comunicar através da cavidade óptica e da fibra óptica conectada através de um chip supercondutor. 

“A criptografia quântica, transferência de informações protegidas através das leis da mecânica quântica, é uma aplicação da ciência e da tecnologia quântica que já tem aplicações comerciais”, disse o Professor Twamley. “Esta e outras aplicações como computação quântica, teletransporte quântico e detecção quântica, irão beneficiar muito com a habilidade de conectar dispositivos quânticos a longas distâncias. Chips quânticos supercondutores são uma das áreas mais promissoras para formar o hardware de computadores quânticos no futuro, e nossa interface óptica/supercondutora vai ajudar a conectar esses chips a grandes distâncias. Nossa abordagem híbrido-quântica permite tirar proveito de ambos, o poder da computação quântica com circuitos supercondutores de baixa perda e a alta velocidade das comunicações ópticas”, disse o Dr. Vanner. “É uma direção muito emocionante, tecnologia quântica certamente tem um futuro brilhante”, disse Xia.

Fonte1: http://phys.org/news/2014-07-remote-quantum-applications-teleportation-enabled.html

Fonte2: http://www.nature.com/srep/2014/140704/srep05571/full/srep05571.html

Qubits supercondutores de silício (superconducting-silicon qubits)

Exemplos de dispositivos quânticos supercondutores contendo silício. (esquerda) Um circuito supercondutor pode formar um qubit supercondutor ou um dispositivo supercondutor de interferência quântica (SQUID). Correntes no circuito podem ser usadas para medir a intensidade de um campo magnético. As correntes de fluxo (em qualquer direção), também podem ser utilizadas para constituir um qubit. (centro) Separação dos fios supercondutores por um isolante, neste caso, o silício cristalino puro, forma uma junção Josephson. (direita) Precisamente colocado, regiões altamente dopadas dentro de semicondutores formam os fios supercondutores. Crédito: LPS

        Teóricos propuseram uma maneira de construir dispositivos supercondutores quânticos tais como junções Josephson e qubits, átomo por átomo, dentro de um cristal de silício. Tais sistemas poderiam combinar os aspectos mais promissores de qubits de spin de silício com a flexibilidade de circuitos supercondutores. Os resultados foram publicados na revista Nature Communications (clique aqui).

        Silício de alta qualidade é um dos fundamentos históricos da computação moderna. Mas também é promissor para a tecnologia da informação quântica. Elétrons e spins nucleares em cristais de silício puro foram medidos exibindo excelentes propriedades como qubits de longa duração, o equivalente a bits em computadores convencionais. Em um artigo publicado esta semana na revista Nature Communications, Yun-Pil Shim e Charles Tahan, da Universidade de Maryland e do Laboratório de Ciências Físicas, mostraram como qubits e dispositivos supercondutores podem ser construídos a partir de silício. A ideia é combinar as boas propriedades quânticas do silício com a flexibilidade de dispositivos supercondutores. Eles propõem o uso de técnicas de nano-fabricação “bottom-up” para construir regiões supercondutoras precisamente inseridas dentro de silício ou germânio e mostrar que esses “fios” podem ser usados para fazer junções supercondutoras tipo túnel e outros dispositivos úteis.

Qubits em supercondutores e semicondutores

        Circuitos supercondutores são extremamente personalizáveis e podem produzir dispositivos que vão desde sensores de campo magnético até circuitos lógicos clássicos. Também podem desempenhar um papel importante no processamento de informação quântica, onde eles podem ser usados ​​como uma plataforma para qubits, sistemas quânticos pequenos que residem em uma superposição de estados quânticos.

        Vários tipos de circuitos supercondutores têm sido utilizados para implementar qubits e portas lógicas quânticas com diferentes propriedades e usos potenciais. Por exemplo, em um tipo de circuito, a corrente pode fluir em qualquer dos dois sentidos. Estas alternativas constituem os dois estados superpostos necessários para o estabelecimento de um qubit. Os dois estados podem ser rotulados de “0” e “1”, em analogia com bits clássicos. Pulsos de microondas podem dirigir as transições entre os dois níveis que permitem portas lógicas quânticas.

        Em geral, os sistemas quânticos são objetos delicados e são suscetíveis ao ruído e outros fatores ambientais que diminuem o desempenho. Circuitos quânticos devem proteger qubits de interferência externa durante o tempo que o cálculo prosseguir. Apesar do rápido progresso na qualidade dos qubits supercondutores (vida superior a 100 microssegundos), as taxas de erro ainda são limitadas pela perda nos metais, isolantes, substratos e interfaces que compõem os dispositivos supercondutores heterogêneos.

Qubits de spin são exemplos de qubits feitos no estado sólido. O spin é uma propriedade quântica de partículas como o elétron; físicos muitas vezes pensam a rotação de um elétron como sendo um pequeno ímã, que irá, naturalmente, apontar na direção de um campo magnético aplicado. Aqui, os estados e os 1 0 correspondem às duas possíveis orientações do spin do elétron, para cima ou para baixo. Uma vez que a rotação é naturalmente dissociada da carga em alguns sistemas (ou seja, as informações armazenadas na direção do spin não serão perdidas, movendo o elétron ou ser abalada por ruído elétrico), qubits de spin são candidatos promissores para um projeto robusto de qubit. Além disso, o uso de dispositivos semicondutores epitaxiais e a capacidade de mergulhar qubits de spin no fundo de um meio de semicondutores, longe de ruído em interfaces e superfícies, resultou em qubits que vivem por alguns segundos ou até mesmo horas, em algumas situações, muito mais do que qubits supercondutores.

Dispositivos práticos

Shim e Tahan propuseram a utilização das melhores características de qubits supercondutores e semicondutores. Eles pretendem fazer fios supercondutores e cruzamentos, a partir do qual qubits e sensores podem ser feitos, colocando (ou dopando) átomos receptores (como o boro ou alumínio, elementos que aceitam elétrons) em regiões específicas dentro do cristal de silício. Eles sugerem que uma técnica desenvolvida recentemente (litografia de hidrogênio STM), pode ser usada para fazer exatamente isso. Lançado pela Michelle Simmons, da Universidade de New South Wales, uma ponta do microscópio de varredura por tunelamento (STM) é usada para remover seletivamente os átomos de hidrogênio na superfície do silício (ou germânio). A dopagem de gás, tais como a fosfina, pode então ser introduzida, permitindo a inserção seletiva de impurezas com precisão atômica. “Se os átomos aceitadores podem ser colocados em densidade suficiente sobre camadas, então regiões supercondutoras podem ser fabricadas dentro do silício e, em seguida, encapsulada com silício cristalino,” diz o Dr. Shim. Um em cada quatro átomos de silício foram substituídos dessa maneira. Geralmente, quanto maior a densidade de dopante, maior será a temperatura crítica supercondutora. Os cientistas aprenderam cerca de 10 anos atrás que o silício pode ser supercondutor quando dopado com densidade suficiente de átomos aceitadores, como o boro. Nos últimos anos, a qualidade desses sistemas de silício supercondutores tem melhorado muito, produzindo material supercondutor com temperaturas críticas próximas de 1 K e ainda deixando o cristal em boas condições (em outras palavras, ainda é de silício). Ao calcular as propriedades dessas regiões supercondutoras-semicondutoras, Shim e Tahan mostram que os fios com temperatura crítica suficiente podem ser construídos com a abordagem ‘bottom-up’ de litografia de hidrogênio.

Finalmente, eles mostram que os tipos de qubits supercondutores observados em amostras de metal podem ser construídos no sistema de silício, bem como fornecer as exigências geométricas necessárias para sua fabricação. “Há um esforço em curso para melhorar a qualidade da barreira epitaxial de tunelamento”, disse Charles Tahan, “mas nenhum trabalho anterior para fazer todo o dispositivo a partir de um único cristal semicondutor. Até onde sabemos, esta é a primeira proposta sobre a viabilidade do silício para junções Josephson e qubits. Também estou animado sobre o potencial desses sistemas para outros dispositivos, como sensores e detectores de partículas.”

Além da possibilidade de circuitos supercondutores construídos dentro de um cristal homogêneo de silício, dispositivos supercondutores-semicondutores como estes poderiam ser utilizados para construir outros tipos de sistemas quânticos exóticos de muitos corpos em escala atômica, e até mesmo atuar como banco de testes para a nossa compreensão da supercondutividade.

Fonte: http://phys.org/news/2014-07-superconducting-silicon-qubits-bottom-up-approach-hybrid.html

Físicos explicam fenômeno contraditório em supercondutividade (dissipative superconducting state of non-equilibrium nanowires)

 

Pesquisador da Universidade Santa Barbara na Califórnia desenvolveu uma nova maneira para fabricar nanocircuito supercondutor. Contudo, os extremamente pequenos nanofios de zinco projetados apresentaram propriedades inesperadas.

Este diagrama de fases de campo magnético atual mostra a alta sensibilidade do planalto tensão ao campo magnético. Quando o planalto desaparece, o estado supercondutor se expande.

        Chen, juntamente com o seu orientador de tese, Allen M. Goldman, e o físico teórico Alex Kamenev, ambos da Universidade de Minnesota, passou anos procurando uma explicação para estes efeitos extremamente intrigantes. Seus resultados foram publicados na Nature Physics. Clique aqui!

        “Estávamos determinados a descobrir como poderíamos conciliar os estranhos fenômenos com as regras que regem a supercondutividade”, disse o principal autor Chen. “A coexistência de supercondutividade com dissipação, o que observamos, é contra-intuitivo e dribla as regras como as conhecemos.”

     Supercondutividade e dissipação são processos mutuamente excludentes, pois dissipação é uma característica do estado normal. “Mas nós descobrimos que a supercondutividade e dissipação podem coexistir em condições bastante genéricas, no que parece ser uma forma universal”, disse Chen.

Depois de longo e cuidadoso trabalho, envolvendo esforços teóricos e experimentais, os pesquisadores descobriram uma explicação que se encaixa. Por trás de todos os fenômenos observados, há um estado de não equilíbrio peculiar de excitações de quase-partículas tipo-elétron que se formam nos nanofios projetados por Chen.

        As quase-partículas são criadas por deslizamentos de fase. Num estado supercondutor, quando supercorrente flui através do nanofio, a função mecânica quântica descrevendo a supercondutividade do fio se desenvolve ao longo do comprimento do fio, com a forma de um espiral. De tempos em tempos, uma das revoluções contrai e desaparece completamente. Este evento é chamado de deslizamento de fase. Esta peculiaridade gera quase-partículas, dando origem a um estado desconhecido onde dissipação e supercondutividade coexistem.

        “A realização mais significativa foi fazer os nanofios menores e mais frios do que ninguém tinha feito antes”, disse Kamenev. “Isto permitiu que as quase-partículas viajassem mais rápido através do fio e evitassem o relaxamento. Isto conduz a um peculiar estado não térmico, que combina as propriedades de um supercondutor e um metal normal, ao mesmo tempo.”

        Além de descobrir este fenômeno único, a equipe também encontrou outra propriedade até então não vista no platô de tensão. Quando um campo magnético é ligado no estado platô de tensão, em vez de diminuir a região do supercondutor, que é o que normalmente ocorreria, a área supercondutora expande e é reforçada.

        “Esta é uma propriedade inesperada de nanofios muito pequenos”, disse Goldman. Esse estado parece ser universal para circuitos supercondutores ultra-pequenos como os de Chen, que possui contatos ideais entre os nanoelementos e os condutores. Tais supercondutores em nanoescala podem ser componentes fundamentais em futuros sistemas de um computador supercondutor.

“Nossos resultados demonstram que nanocircuitos supercondutores podem ser usados como uma simples, mas bastante genérica, plataforma, para investigar fenômenos quânticos fora do equilíbrio,” concluiu Chen.

“Agora temos de explorar os parâmetros dos nanofios que geram o efeito e aqueles que não o fazem”, disse Goldman. “Nós também precisamos examinar o comportamento dos fios de diferentes comprimentos e diferentes materiais, a fim de definir os parâmetros.” 

Fonte: http://www.news.ucsb.edu/2014/014300/bending-rules

Recorde mundial de aprisionamento de campo magnético (new record for a trapped field in a superconductor)

Um recorde mundial que resistiu por mais de uma década foi quebrado por uma equipe liderada por engenheiros da Universidade de Cambridge, aproveitando o equivalente a três toneladas de força em uma amostra de material equivalente ao tamanho de uma bola de golfe.

    Os pesquisadores de Cambridge conseguiram aprisionar um campo magnético de magnitude 17,6 Tesla - cerca de 100 vezes mais forte do que o campo gerado por um ímã de geladeira - em um supercondutor de alta temperatura à base de óxido de cobre, bário e gadolínio (GdBaCuO), batendo o recorde anterior por 0,4 Tesla. Os resultados foram publicados na revista Superconductor Science and Technology (clique aqui).

       A pesquisa demonstra o potencial dos supercondutores de alta temperatura para aplicações em uma variedade de campos, como separadores magnéticos que podem ser usados ​​em refinamento mineral e controle de poluição, e em trens de alta velocidade magneticamente levitados.

         A corrente transportada por um supercondutor também gera um campo magnético, e quanto maior a intensidade do campo que possa ser contido dentro do supercondutor, maior a corrente que pode transportar. Os supercondutores práticos podem transportar correntes que são tipicamente 100 vezes maiores do que o cobre, o que lhes confere vantagens consideráveis ​​de desempenho.

O novo recorde foi alcançado utilizando amostras de 25 milímetros de diâmetro do supercondutor GdBaCuO, fabricado sob a forma de um monobloco grande usando um método de processamento por fusão. O recorde anterior de 17,24 Tesla, definida em 2003 por uma equipe liderada pelo professor Masato Murakami, do Instituto de Tecnologia de Shibaura no Japão, usou um tipo altamente especializado de supercondutor que é semelhante, mas sutilmente diferente em composição e estrutura.

Para conter um campo tão grande, a equipe usou materiais conhecidos como cupratos: folhas finas de cobre e oxigênio separados por tipos mais complexos de átomos. Os cupratos foram os primeiros supercondutores de alta temperatura a serem descobertos e tem o potencial de serem amplamente utilizados em aplicações científicas e médicas. A fim de aprisionar o campo magnético, os pesquisadores modificaram a microestrutura do GdBaCuO para aumentar a densidade de corrente e o desempenho térmico, reforçando-o com um anel de aço inoxidável, que foi usado para 'embalar a vácuo' as amostras individuais de grãos. “Este foi um passo importante para alcançar este resultado”, disse o Dr. John Durrell que liderou o experimento na Flórida.

         As linhas de fluxo magnético em um supercondutor se repelem fortemente, sendo difícil conter um campo tão grande. Mas, pela engenharia da microestrutura volumétrica, o campo é aprisionado na amostra pelos famosos ‘centros de ancoragem de fluxo’ distribuídos por todo o material. “O desenvolvimento de centros de aprisionamento eficazes em GdBaCuO foi a chave para este sucesso”, disse Yun-Hua Shi, responsável pelo desenvolvimento da técnica de fabricação por processo de fusão, em Cambridge, nos últimos 20 anos.

         O resultado foi o maior campo já preso em um volume de material independente, em qualquer temperatura. “Este trabalho poderá anunciar a chegada de supercondutores em aplicações no mundo real”, disse o Professor Cardwell. “Para ver supercondutores aplicados no uso diário, precisamos de grandes grãos de material supercondutor com as propriedades necessárias que podem ser fabricados por processos relativamente padrões.”

         Um nicho de aplicações está sendo desenvolvido pela equipe de Cambridge e seus colaboradores, e prevê-se que as aplicações comerciais empregando supercondutores poderão ser vistas dentro dos próximos cinco anos.

Fonte: http://www.cam.ac.uk/research/news/cambridge-team-breaks-superconductor-world-record

Geladeira supercondutora esfria metais a mK (superconducting cascade electron refrigerator)

O refrigerador de elétrons supercondutor, com uma configuração S2|S1|N|S1|S2, pode esfriar um metal de 0,5 K a 100 mK em um processo de duas fases em cascata. Crédito: M. Camarasa-Gómez et al. © 2014 AIP Publishing LLC

Resfriar objetos microscópicos a temperaturas próximas do zero absoluto requer tecnologias de refrigeração não convencionais. Um método de resfriamento em microescala é a refrigeração supercondutora, na qual as quase-partículas (excitações coletivas) quentes de metais não-supercondutores são transportadas para os supercondutores. Essa técnica pode esfriar objetos microscópicos bem abaixo de 1 K. Em um novo estudo publicado na Applied Physics Letters, uma equipe de pesquisadores, M. Camarasa-Gómez et al., da Itália e da França, propôs um novo design para um refrigerador supercondutor em que o resfriamento é realizado em uma cascata de passos. Devido a esta operação de múltiplos estágios, o refrigerador pode esfriar um metal normal de 0,5 K a 100 mK com melhor desempenho em comparação com técnicas similares.

‘Geladeiras’ supercondutoras são compostas de supercondutores (S), metais normais (N) e barreiras de tunelamento (|) que muitas vezes são dispostos em uma configuração simétrica; por exemplo, S|N|S. Quando uma tensão é aplicada aos supercondutores, quase-partículas quentes no metal normal tunelam através das barreiras | para os supercondutores, arrefecendo o metal. O projeto proposto consiste na configuração S|N|S com um contato túnel supercondutor adicional em cada extremidade: S2|S1|N|S1|S2. Uma voltagem é aplicada aos supercondutores S2, levando a primeira quase-partícula quente do metal normal para os supercondutores S1, e, em seguida, para os supercondutores S2. Cada evento de encapsulamento remove o calor, resultando em uma corrente de calor que flui a partir do interior para o exterior.

“Uma geometria cascata permite arrefecer uma primeira fase supercondutora, que é utilizado como um banho térmico local em uma segunda etapa,” explicam os pesquisadores.

Este método de arrefecimento em cascata exige que os componentes tenham certas propriedades, em particular as resistências, a fim de operar corretamente. Os investigadores esperam que estes requisitos sejam facilmente implementados em um dispositivo prático utilizando uma combinação de vanádio, alumínio e cobre. A cascata de elétrons supercondutores poderia ser usada para o resfriamento de ambos os objetos macroscópicos e microscópicos, incluindo sensores ultrafrios para instrumentos astronômicos. 

Fonte 1: http://phys.org/news/2014-06-superconducting-refrigerator-cools-tunneling-cascade.html

Fonte 2: http://scitation.aip.org/content/aip/journal/apl/104/19/10.1063/1.4876478

M. Camarasa-Gómez, etal. “Superconducting cascade electron refrigerator.” Applied Physics Letters 104, 192601 (2014). DOI: 10.1063/1.4876478