O gato de Schrodinger no estado supercondutor (trajectory of superconducting circuit, illuminate Schrodinger’s cat principle)

      Equipe confirmou teoria sobre a trajetória mais provável de circuito supercondutor que permite compreender como sistemas quânticos mudam até que atinjam uma condição permanente. A descoberta dos pesquisadores representam um avanço significativo para o mundo da física quântica.

      O princípio da superposição em física quântica é conhecido como o gato de Schrödinger. O experimento idealizado por Erwin Schrodinger, propõe que se um gato é colocado em uma caixa com três objetos - um contador Geiger, uma substância radioativa e veneno que matará o gato se o contador Geiger detectar decaimento radioativo - o gato existe como vivo e morto até que a caixa seja aberta, quando ele instantaneamente se torna vivo ou morto.

      O estudo, no entanto, demonstra que o processo não é imediato. Em vez disso, a metáfora do gato segue uma trajetória contínua a partir do seu estado inicial até que a tampa seja aberta e o seu estado seja revelado - embora, neste caso, o gato seja um circuito supercondutor muito frio feito de alumínio. Ao investigar o sistema, os pesquisadores podem determinar onde no espectro o gato encontra-se entre vivo ou morto, mesmo sem abrir a caixa.

      “A ideia que tem intrigado as pessoas por um longo tempo com este postulado é, como é que, instantaneamente, você olha para algo e de repente 'poof', é vivo ou morto?”, Disse Irfan Siddiqi, professor de física, coautor do artigo. “Não é instantânea. Há informações que fluem para fora do sistema”.

      No estudo, os pesquisadores usaram um circuito que só pode ocupar dois estados, fundamental e excitado. Pelo princípio da superposição, o circuito - um tipo de qubit, ou unidade de informação quântica - existe, em parte, em qualquer combinação desses dois estados. O q-bit é colocado numa cavidade e trazido até uma temperatura de 20 millikelvin, perto de zero absoluto, para reduzir a sua resistência. Na cavidade, é sondado por micro-ondas que afetam muito fracamente o circuito - o equivalente apenas a abrir a tampa da caixa. O recipiente do circuito, feito de alumínio, responde a uma certa frequência que é dependente da combinação particular dos estados fundamental e excitado que o circuito ocupa. Os pesquisadores então amplificam o sinal para medir essa combinação.

      Siddiqi disse que o processo de sondagem do próprio qubit é o que estimula a trajetória. “É o ato da medição que está dirigindo o sistema. Se o gato estava morto e vivo, ele deve permanecer desse modo”, disse ele. “A única razão que deixa esse estado é porque você está perturbando-o, medindo esse estado.”

      Os resultados do estudo oferecem novas habilidades para controlar sistemas quânticos, que por sua vez sustentam a promessa de uma nova revolução tecnológica, disse Alexander Lvovsky, professor de física da Universidade de Calgary. Siddiqi disse que as descobertas podem ser aplicadas em computadores quânticos, que têm o potencial de serem mais poderosos que os computadores atuais.

Fonte: http://www.dailycal.org/2014/07/31/researchers-map-likely-trajectory-superconducting-circuit-illuminate-schrodingers-cat-principle/

Maior densidade de corrente elétrica da história é obtida com supercondutores (super-strong superconducting magnet achieves world record current)

Um corte transversal da amostra do condutor. Imagem: National Institutes of Natural Sciences

        O National Institute for Fusion Science (NIFS) no Japão obteve uma corrente superior a 100.000 ampere, um recorde mundial. O NIFS está desenvolvendo uma bobina supercondutora de alta temperatura que é apropriada para o ímã do reator de fusão. A grande façanha do NIFS foi a abordagem na produção de fitas supercondutoras empilhadas formando um condutor de resistência mecânica excepcional. Como resultado do teste no protótipo, à temperatura de 20K (-253 ºC), a corrente elétrica obtida foi superior a 100.000 A, com densidade de corrente maior que 40 A/mm².

Escala relativa do protótipo. Imagem: National Institutes of Natural Sciences

        Este valor é útil para uso prático em reatores de fusão nuclear que exigem fortes campos magnéticos. No teste do NIFS, 54 fitas supercondutoras de alta temperatura foram utilizadas para produzir o ímã. Cada fita é de 10 mm de largura por 0,2 mm de espessura, e a corrente elétrica flui apenas através desta área. Juntamente com o substrato excepcionalmente forte e flexível, esta área condutora foi rodeada por um invólucro de cobre e um revestimento de aço inoxidável. A corrente foi induzida por indução magnética.

       O método revolucionário de fabricação das fitas supercondutoras tem recebido muita atenção. Além disso, a grande capacidade de corrente do aparato possui também impacto no desenvolvimento de magnetos supercondutores de alta temperatura usados em instrumentos médicos e outros dispositivos elétricos.

Fonte: http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?reload=true&arnumber=6675763

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