Computação quântica já existe! (e usa supercondutores)

Google comercializa computador quântico

Para realizar computação quântica confiável, o sistema da D-Wave opera em temperaturas próximas do zero absoluto. [Fonte da imagem: ZDNet]

O Instituto de Física Teórica Kavli da Universidade da Califórnia em Santa Barbara (UBC) está se unindo ao Google para promover a comercialização de computadores quânticos baseados em supercondutores.

A empresa D-Wave parecia um tiro no escuro quando lançada em 1999. Um ramo da University of British Columbia (UBC), a empresa pretendia comercializar o que na década de 1990 era um campo relativamente controverso e teórico - a computação quântica. A computação quântica é a arte de manipular entidades atômicas e explorar peculiaridades da física conhecida como “efeitos quânticos” para armazenar informações de forma mais densa e obter respostas instantaneamente de algoritmos complexos. A computação quântica é um desafio dos dois lados. Primeiro você precisa desenvolver um hardware capaz de explorar os tipos desejados de manipulação quântica. Segundo, você precisa programar o hardware com um algoritmo quântico derivado de um algoritmo clássico, como o algoritmo Page Rank de busca do Google.

Na década de 1990, nem o hardware nem o desenvolvimento de algoritmos quânticos era avançado o suficiente para ser considerado comercialmente viável. Mas a D-Wave jogou os dados e lançou uma startup na esperança de que poderia mudar isso no lado do hardware. Trabalhando em estreita colaboração com a UBC, com a Universidade de Toronto, com o laboratório de propulsão a jato da NASA e várias outras instituições de pesquisa americanas e canadenses, a D-Wave conseguiu atingir o improvável – construiu um hardware de computação quântica com potencial comercial.

Em 2007, ele executou sua primeira demonstração pública no sistema “Orion” de 16 qubits (qubit = bit quântico), que tinha uma parte especial de hardware chamado de “processador supercondutor quântico adiabático”. O processador quântico foi mais do que um co-processador no sentido de que ele não foi projetado para computação de propósitos gerais, mas para rodar algoritmos quânticos especializados carregados pelo hardware convencional.

Soluções foram geradas a partir de um processo complexo conhecido como 'recozimento quântico' (quantum annealing). Mais especificamente, o sistema da D-Wave opera através do entrelaçamento quântico - uma espécie de ligação psíquica (metaforicamente falando) entre elétrons em que espelham seus estados uns nos outros (mais especificamente, espelham uns nos outros os spins sobre seus respectivos núcleos atômicos). Para obter resultados ​​quânticos confiáveis, o sistema é resfriado a uma temperatura tão fria quanto ou mais que o espaço sideral.

Inicialmente, a alegação da D-Wave possuir o primeiro computador quântico funcional foi controversa. Contudo, os céticos foram incapazes de refutar suas reivindicações. Apoiadores como a NASA publicaram evidências dando suporte à sua possível validade.

O primeiro projeto revelado publicamente da D-Wave foi o processador “Orion” de 16 qubits

Desde o início, aplicações para a pesquisa eram evidentes. Junto com a resolução dos enigmas de Sudoku e um problema de escalonamento, um dos três demos iniciais em 2007 envolveu a busca de moléculas conhecidas em um banco de dados. Determinados algoritmos de busca de gráfico são problemas NP-completos; portanto, é impossível em um sentido convencional gerar uma solução exata na maioria dos casos.

A D-Wave iniciou a produção comercial com o processador “Orion” de 16-qubit

O objetivo é desenvolver a heurística para fornecer uma boa aproximação com base nas necessidades. Um dos objetivos centrais da D-Wave foi desenvolver um hardware comercial para obter soluções aproximadas de problemas NP-completos muito mais rápido do que é possível com hardware convencional.

Em maio de 2011, a D-Wave anunciou a disponibilidade de um processador de 128 qubit apelidado de “Rainier” (codinome: Chimera). O sistema completo tinha um preço de US$ 10 milhões de dólares. Este sistema tem uma temperatura operacional de 13,8 milikelvin (mK). A temperatura média que ocorre naturalmente no espaço sideral é de aproximadamente 2,7 K - quase 200 vezes maior do que a temperatura no interior do computador quântico.

D-Wave lançou em 2012 processadores quânticos de 128 qubits

Apesar do custo, o sistema recebeu várias compras. Os clientes incluem Universidade de Harvard, a Lockheed Martin Corp. (LMT) e a Universidade de Cornell. Enquanto o sistema mostrou resultados questionáveis ​​em termos de aceleração, ao menos desmistificou o ceticismo fornecendo indícios de que o complexo equipamento funcionou como descrito.

O computador quântico One D-Wave vendido por US$ 10 milhões de dólares

Mais tarde naquele ano, a D-Wave apresentou o Vesúvio (D-Wave Two) com 512-qubit. O design do D-Wave Two foi um salto crucial, uma vez que finalmente começou a eclipsar os computadores tradicionais em velocidade. Em alguns casos, o D-Wave Two foi centenas de vezes mais rápido quando comparado o melhor algoritmo quântico com o algoritmo clássico mais apto em hardware tradicional.

 Google e D-Wave: enredados por uma causa comum

O envolvimento da Google com a D-Wave remonta há mais de meia década. Em 2009, uma das primeiras demonstrações de protótipos iniciais da D-Wave envolveu um algoritmo quântico de busca de imagem da Google. Em maio de 2013, o Google e a D-Wave aprofundaram a parceria anunciando a abertura do  laboratório Google Quantum Artificial Intelligence. O laboratório foi co-patrocinado pela NASA e pela Universities Space Research Association (USRA). Ele mostrou que em vários indicadores, o D-Wave poderia oferecer uma aceleração de 3 a 5 ordens de magnitude maior do que dos algoritmos e hardwares convencionais.

Google usou suas caixas da D-Wave para otimizar partes do seu sistema operacional Android. Enquanto eles se recusaram a revelar certos detalhes, o Google disse que as otimizações alcançadas com o hardware quântico foram muito além do que era possível com o seu hardware convencional. Uma caixa da D-Wave poderia fazer o trabalho de otimização, em alguns casos, de todo um grande centro de dados.

        Em maio, o laboratório ofereceu uma validação crucial da tecnologia D-Wave, usando uma técnica chamada espectroscopia de tunelamento de qubit. Eles observaram uma forte evidência de entrelaçamento quântico durante uma parte chave do processo. Esta validação foi muito importante, já que algumas perguntas permaneciam se a máquina da D-Wave verdadeiramente realizava o quantum annealing. Enquanto descrições da física quântica forneceram o melhor ajuste para métricas observadas anteriormente, estudos indicam que os modelos clássicos demonstraram um comportamento semelhante. O novo trabalho do Google et al., mostrou de forma inequívoca que os mecanismos quânticos estavam trabalhando dentro das misteriosas caixas da D-Wave.

Sangue novo!

A parceria anunciada recentemente com a UCSB traz a bordo um dos maiores especialistas do mundo em supercondutores, o físico John Martinis. Professor Martinis ganhou o prêmio de Londres - um prêmio de investigação de ponta - para aplicações de supercondutores na computação quântica. Sua especialidade está no controle quântico - sistemas químicos que permitem manipulação de estados quânticos - e processamento de informação quântica - projetar algoritmos quânticos especializados (software) para analisar conjuntos de dados complexos.

O grupo do professor Martinis: Austin Fowler, Rami Barends, Professor John Martinis e Julian Kelly

Hartmut Neven, diretor de engenharia do Google relata:

Com um grupo de hardware integrado, a equipe agora será capaz de implementar e testar novos designs para otimização quântica e processadores de inferência baseados em recentes conhecimentos teóricos, bem como em nosso aprendizado a partir da arquitetura quantum annealing da D-Wave. Vamos continuar colaborando com os cientistas da D-Wave e experimentar a máquina "Vesúvio" na NASA, que será atualizada para 1000 qubit do processador "Washington".

A D-Wave revelou no ano passado que a sua concepção de qubit consiste de alças supercondutoras compostas de nióbio, com uma camada isolante de óxido de alumínio na junção. Os loops supercondutores são conhecidos como junções Josephson, em homenagem ao físico britânico Brian David Josephson que ganhou um prêmio Nobel de Física por descrever, em 1962, o comportamento deste tipo de circuito.

Circuitos supercondutores de nióbio e óxido de alumínio podem ser construídos em um substrato de silício para projetos de eletrônica quântica. [Fonte da imagem: IEEE Spectrum]

A fase e a carga do supercondutor utilizado são fundamentais para quanto tempo os qubits podem ser mantidos e que níveis de emaranhamento podem ser alcançados durante o quantum annealing. Nióbio é o supercondutor líder usado nestas junções, que também são conhecidas como junções túnel (STJ). Não há substituto para o nióbio que é o supercondutor elementar de mais alta temperatura crítica (9,26 K). Investigações sugerem que o tecnécio sob alta pressão pode alcançar 11,2 K, porém mais trabalho precisa ser feito para analisar a viabilidade da utilização de um material em uma STJ.

Nióbio elementar na forma de liga é azul e é encontrado em depósitos cristalinos. [Fonte da imagem: Wikimedia Commons]

Entretanto, professor Martinis pode focar seus conhecimentos na otimização da geometria da junção e nas técnicas de deposição para produzi-la de forma consistente e acessível. Ele deve também trabalhar para produzir um tipo especial de geometria na junção Josephson - uma junção em forma de cruz que ele chama de “XMON”. Em abril, sua equipe publicou um artigo na Nature sobre ‘xmons’ de qualidade perto de comerciais. Xmons mostram emaranhamento superior a outras geometrias da junção, mas (como afirma o artigo) está apenas começando a se aproximar da disponibilidade comercial.

Professor Martini desenvolveu uma junção Josephson melhorada que tem uma geometria em forma de cruz. Ele a chama de um qubit “XMON”. [Fonte da imagem: UCSB]

A recompensa para o Google irá, em curto prazo, ser realizada por meio de algoritmos de otimização de software que caçam pelas ineficiências em um código base. Em longo prazo, o Google pode ser capaz de abaixar os preços desses sistemas quânticos o suficiente para torná-los utilizáveis ​​como um backend de busca para o seu motor de imagens, proporcionando uma busca muito mais veloz e inteligente.

Fonte: http://www.dailytech.com/Google+Snares+Superconductor+Genius+Plan+1K+Qubit+Quantum+Computer/article36497.htm

Cientistas solidificam a luz (Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition)

Luz cristalizada: inicialmente os fótons fluem facilmente entre os dois qubits, produzindo as grandes ondas à esquerda. A seguir, a luz cristaliza, mantendo os fótons no lugar (direita). (Imagem: Universidade de Princeton)

Cristal de luz

Cientistas garantem ter solidificado a luz, cristalizando os fótons como se eles fossem os átomos na rede cristalina de um sólido. Não se trata de espalhar a luz através de cristal - a luz se transforma em um cristal, com os fótons ficando fixos no lugar. Os cientistas já haviam torcido e retorcido a luz, congelado a luz e até construído rodas fotônicas. Mas formar uma rede cristalina de luz é algo inédito.

“É algo que nunca vimos antes,” disse Andrew Houck, da Universidade de Princeton, nos Estados Unidos. “Este é um novo comportamento para a luz.” Infelizmente, você não conseguirá pegar o cristal de luz na mão, uma vez que esse comportamento exótico cessa tão logo o feixe é desligado, mas os cientistas garantem que o experimento sem precedentes poderá responder a algumas perguntas fundamentais sobre a física da matéria. Essas perguntas têm sido feitas no esforço para desenvolver materiais com propriedades não encontradas na natureza, como supercondutores que funcionem a temperatura ambiente, e os tão sonhados computadores quânticos.

Onda, partícula, sólido

Para construir seu cristalizador de luz, James Raftery e seus colegas criaram uma estrutura feita de materiais supercondutores que contém 100 bilhões de átomos projetados para agir como uma entidade única - um átomo artificial. O aparato é baseado no processador quântico que a equipe vem desenvolvendo desde 2007, no qual átomos artificiais funcionam como qubits. Pelas regras da mecânica quântica, os fótons em um fio supercondutor que passa ao lado do processador herdam algumas das propriedades do átomo artificial - em certo sentido criando uma conexão entre eles.

        Fótons normalmente não interagem uns com os outros, mas, neste sistema, os pesquisadores foram capazes de criar um novo comportamento no qual os fótons começam a interagir como partículas, e não apenas como ondas. “Essas interações geram então um comportamento coletivo da luz totalmente novo - parecido com as fases da matéria, como os líquidos e cristais estudados na física da matéria condensada,” explica Darius Sadri, membro da equipe.

        Controlando o funcionamento do átomo artificial no interior do chip e a energia fluindo pelo supercondutor, os pesquisadores podem fazer com que a luz fique “espirrando” de um lado para o outro, como se fosse um líquido, ou simplesmente congele, criando um “cristal de luz”. Ou seja, além de se comportar como onda e como partícula, agora a luz se manifestou como matéria sólida como esta é vista pelas leis da mecânica clássica, criando uma forma simples e direta de interagir e, eventualmente, interferir com a matéria na fronteira quântico-clássica.

Detalhe do processador fotônico onde o experimento foi realizado. [Imagem: James Raftery et al. - 10.1103/PhysRevX.4.031043]

Construindo a matéria

Como o átomo artificial é um qubit por definição, a equipe está entusiasmada com a possibilidade de usar esse novo comportamento da luz para criar novas formas de computação ainda mais eficientes e rápidas do que as que vinham sendo consideradas pela computação quântica. O protótipo usado no experimento é relativamente pequeno, com apenas dois átomos artificiais emparelhados com um fio supercondutor. Mas a equipe afirma que, construindo um dispositivo maior, e aumentando o número de interações dos fótons, será possível aumentar sua capacidade e simular sistemas mais complexos. Isto tem a ver com os simuladores quânticos, circuitos capazes de simular de uma única molécula até um material sólido completo a partir dos primeiros princípios quânticos das suas partículas constituintes. É como aprender a construir a matéria de baixo para cima.

No futuro, a equipe pretende construir dispositivos com centenas de átomos artificiais, com os quais eles esperam observar fases ainda mais exóticas da luz, tais como superfluidos e isolantes. “Estamos interessados em explorar - e, finalmente, controlar e dirigir - o fluxo de energia em nível atômico”, disse outro membro da equipe, Hakan Tureci. “O objetivo é entender melhor os materiais e os processos atuais e avaliar materiais que ainda não podemos criar.”

Bibliografia:

Observation of a Dissipation-Induced Classical to Quantum Transition. James Raftery, Darius Sadri, Sebastian Schmidt, Hakan E. Tureci, Andrew A. Houck. Physical Review X, Vol.:4, 031043. DOI: 10.1103/PhysRevX.4.031043.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cientistas-solidificam-luz&id=010160140912

Mãe do bóson de Higgs é encontrada em supercondutores (Mother of Higgs boson found in superconductors)

        Um primo teórico estranho do bóson de Higgs, que inspirou a caça de décadas da partícula elusiva, foi observado pela primeira vez. A descoberta é uma das mais emocionantes na era da física moderna. O campo de Higgs, que dá origem ao seu bóson xará, é creditado com a doação de massa para outras partículas por abrandar seu movimento através do vácuo. Proposto pela primeira vez na década de 1960, a partícula finalmente apareceu no Large Hadron Collider do CERN, Genebra, na Suíça, em 2012, e alguns dos teóricos por trás dele receberam o prêmio Nobel de Física em 2013.

        A ideia foi emprestada do comportamento dos fótons em supercondutores, sistemas que, quando resfriados a temperaturas muito baixas, permitem que elétrons se movam sem resistência.

      Perto do zero kelvin, as vibrações no material supercondutor abrandam pares de fótons que viajam através delas, fazendo a luz agir como se tivesse massa. Este efeito está intimamente ligado à ideia do bóson de Higgs – “a mãe dele, na verdade,” diz Raymond Volkas da Universidade de Melbourne na Austrália.

        Essas vibrações são o equivalente matemático da partícula de Higgs, diz Ryo Shimano da Universidade de Tóquio, que liderou a equipe que fez a nova descoberta. A versão supercondutor explica a massa virtual da luz em um supercondutor, enquanto a partícula física do campo de Higgs explica a massa dos bósons W e Z no vácuo.

Problema duplo

        Os físicos esperavam que o efeito tipo-Higgs surgisse em todos os supercondutores, porque também é responsável por suas propriedades características – a resistência elétrica zero. Mas só tinha sido visto antes impondo um tipo diferente de vibração no material.

        Para encontrá-lo em um supercondutor em seu estado normal, Shimano e colegas sacudiram violentamente o supercondutor com um breve pulso de luz. Shimano diz que é semelhante a como os físicos de partículas criam o bóson de Higgs real em colisões de partículas energéticas. Ele primeiro criou o bóson de Higgs em supercondutores no ano passado e agora tem estudado suas propriedades para mostrar que, matematicamente falando, ele se comporta quase exatamente como a física da partícula de Higgs.

        Observar as semelhanças entre os dois sistemas pode ser útil no estudo do verdadeiro bóson de Higgs. “Pode-se preparar vários tipos de vácuo em sistemas de matéria condensada, que não são capazes de serem produzidos em experimentos de física de partículas”, diz Shimano. “Pode-se fazer os experimentos em uma bancada que definitivamente iria revelar uma nova física e espero fornecer alguns feedbacks úteis para a física de partículas.”

Fonte1: http://www.newscientist.com/article/dn26158-mother-of-higgs-boson-found-in-superconductors.html#.VAzBG_ldVAI

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/345/6201/1145

TiO2 pode atuar como isolante em supercondutores (titania has promise as superconductor insulator)

Fonte: NCSU. Material promissor: espectroscopia de raios-x de energia dispersiva tomadas dentro de um microscópio eletrônico de varredura

Uma pesquisa da Universidade Estadual da Carolina do Norte (NCSU) mostra que um tipo de titânia modificada, ou dióxido de titânio (TiO₂), pode ser considerado como um isolante elétrico para os ímãs supercondutores, permitindo que o calor se dissipe, preservando os caminhos elétricos ao longo do qual a corrente flui.

       De acordo com pesquisadores, magnetos supercondutores estão sendo investigados para uso em tecnologias de geração de energia de última geração e dispositivos médicos.

Condutores regulares conduzem eletricidade, mas uma pequena fração dessa energia é perdida durante a transmissão. Supercondutores podem lidar com correntes muito mais altas por centímetro quadrado sem perder energia através da transmissão. No entanto, os supercondutores têm estas propriedades desejáveis apenas a temperaturas muito baixas.

“Ímãs supercondutores precisam de isolantes elétricos para garantir o funcionamento adequado,” diz o Dr. Sasha Ismael, um pesquisador de pós-doutorado da NCSU e principal autor do artigo que descreve o trabalho. “Alterar a corrente no interior do supercondutor é importante para muitas aplicações, mas esta mudança gera calor internamente. Os ímãs funcionariam em maior segurança se os isolantes elétricos fossem capazes de verter qualquer excesso de calor. Caso contrário, as temperaturas mais elevadas podem destruir o supercondutor.”

“Este material à base de TiO₂ é até 20 vezes melhor do que a condução de calor de isolantes elétricos comparáveis​​”, disse Ismael em um comunicado. “Ele possui características que são muito promissoras para uso como isolante elétrico em tecnologias de supercondutores.”

A composição química exata do óxido de titânio modificado é informação proprietária. O desenvolvimento do material e sua caracterização foi um esforço conjunto entre a NCSU e a nGimat LLC, com sede em Lexington, Kentucky.

“Estamos observando o efeito da radiação sobre este material, para determinar se ele pode ser usado em aplicações de física de alta energia, como aceleradores de partículas”, disse o Dr. Justin Schwartz, orientador do estudo e Kobe Steel, professor e chefe do Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia da NCSU.

O artigo “Thermal conductivity and dielectric properties of a TiO2-based electrical insulator for use with high temperature superconductor-based magnets,” foi publicado online na revista SuperconductorScience and Technology.

Fonte1: http://www.theengineer.co.uk/news/titania-has-promise-as-superconductor-insulator/1019164.article

Fonte2: http://iopscience.iop.org/0953-2048/27/9/095018/article

Aspersão de spin em um supercondutor (sprinkling spin physics onto a superconductor)

Interações antiferromagnéticas spin-spin são mediadas e ampliadas pelos elétrons em um supercondutor. (Ilustração: S. Kelley/E.Edwards)

        Pesquisadores do Joint Quantum Institute (JQI) em colaboração com físicos de Harvard e Yale, vem estudando os efeitos da incorporação de spins na superfície de um supercondutor. Em um trabalho publicado recentemente no Physical Review Letters (“Enhanced Antiferromagnetic Exchange between Magnetic Impurities in a Superconducting Host”), eles demonstraram que os spins podem interagir de forma diferente do que se pensava. Esta plataforma híbrida poderia ser útil para simulações quânticas de complexos sistemas de spin, tendo a particularidade de que as interações podem ser controladas, algo bastante incomum para a maioria dos sistemas da matéria condensada.

O sistema quântico clássico conhecido como spin pode ser realizado em diferentes plataformas físicas. Devido aos avanços na fabricação e criação de imagens, impurezas magnéticas embutidas em um substrato surgiram como uma perspectiva interessante para o estudo da física de spin. O 'spin' está relacionado ao momento angular intrínseco de uma partícula. O interessante é que, embora o conceito seja abstrato, inúmeros efeitos na natureza, tais como magnetismo, são mapeados em modelos matemáticos de spin.

Um único spin é útil, mas a maioria das aplicações práticas e estudos de fenômenos complexos exigem controle de muitos spins interagentes. Por si só, os spins irão interagir uns com os outros, com a força da interação desaparecendo quando eles são separados. Nos experimentos, os físicos, muitas vezes utilizam técnicas como lasers e / ou campos magnéticos, para controlar e modificar a interação entre os spins. Embora possível em sistemas atômicos, controlar interações entre spins não tem sido fácil ou mesmo possível na maioria dos sistemas do estado sólido.

      Em princípio, a melhor forma de melhorar a comunicação entre os spins nos materiais é usar como intermediários os elétrons livres. Elétrons livres são fáceis de encontrar em condutores, mas do ponto de vista da física quântica, estes materiais são ‘sujos’ e ‘barulhentos’. Aqui, elétrons fluem em volta sendo espalhados por incontáveis átomos criando rupturas e mascarando os efeitos quânticos. Uma maneira de contornar este obstáculo é colocar os spins em um substrato supercondutor, que é um ambiente quântico tranquilo, intocado.

Por que os supercondutores são anfitriões limpos para spins? Considere a estrutura de banda destes sistemas. A estrutura de banda descreve o comportamento dos elétrons em sólidos. Dentro de átomos isolados, os elétrons ocupam níveis discretos de energias, separados por regiões proibidas. Num sólido, os átomos estão dispostos num padrão de repetição em que devido à proximidade, seus elétrons são efetivamente compartilhados. O diagrama de níveis de energia em um sólido consiste não em níveis discretos, mas bandas que representam quase um contínuo de valores de energia. Em um sólido, elétrons normalmente ocupam os níveis mais baixos de energia.

Em condutores, o próximo nível de energia acima do mais alto preenchido, é próximo o suficiente para permitir transições, facilitando o fluxo de elétrons na forma de corrente. Nesse esquema de nível de energia, onde se encaixam os supercondutores? Nos supercondutores, o aparecimento da resistividade zero é uma transição de fase. Quando alguns materiais são resfriados, os elétrons começam a interagir, mesmo em grandes distâncias, através de vibrações no cristal chamadas fônons. Isso é chamado de “par de Cooper.” Os pares, apesar de relativamente fracos, exigem certa quantidade de energia para quebrar, que se traduz em um gap na estrutura de banda formada entre o estado supercondutor de menor energia e o superior de maior energia (não supercondutor). Em certo sentido, o estado supercondutor é um ambiente quântico isolado do barulho do estado de condução normal.

        Nesta pesquisa, os cientistas consideram o que acontece com as interações spin-spin quando os spins são incorporados em um supercondutor. Geralmente, quando os spins são separados por uma quantidade maior do que o chamado comprimento de coerência, eles interagem fracamente antiferromagneticamente (orientação de spin alternada). Acontece que quando os spins estão mais próximos, suas interações são mais complexas do que se pensava, e tem o potencial de ser ajustável. A equipe de pesquisa corrige a teoria existente que diz que as interações spin-spin oscilam entre ferromagnéticas (todos os spins com a mesma orientação) e antiferromagnéticas. Este tipo de interação é válida para condutores comuns, mas não quando o substrato é um supercondutor.

O que está acontecendo é que, semelhante aos semicondutores, as impurezas magnéticas de spin afetam a estrutura de banda. Os spins induzem o que é chamado estado Shiba, os quais permitem níveis de energia dentro do gap supercondutor. Isto significa que existe uma forma de quebrar pares de elétrons supercondutores fazendo-os ocupar níveis mais elevados, estados de energia não supercondutores.

Para este trabalho, o ponto chave é que quando dois spins muito próximos são anti-alinhados, seus estados de Shiba se misturam para reforçar a interação antiferromagnética. Uma característica interessante deste resultado é que a quantidade de mistura, a força efetiva da interação, pode ser ajustada mudando a energia relativa dos estados de Shiba em torno da região do gap. A equipe descobriu que, quando os estados de Shiba estão no meio do gap supercondutor, a interação antiferromagnética entre spins domina.

Autor e teórico Jay Sau explica a promessa desta plataforma: “O que este sistema spin-supercondutor fornece é a capacidade de conectar vários sistemas quânticos juntos em uma interação definitiva. Aqui você pode, potencialmente, colocar um monte de átomos de impureza em uma pequena região do supercondutor e todos eles vão interagir antiferromagneticamente. Esta é a situação ideal para a formação de estados de spin exóticos.”

       Matrizes de spins com interações controláveis ​​são difíceis de obter em laboratório e, quando combinada com a capacidade de gerar imagens individuais de impurezas de spin via microscopia de varredura por tunelamento (STM), esta plataforma híbrida pode abrir novas possibilidades para o estudo de fenômenos quânticos interagentes complexos.

      Da perspectiva de Sal: “Estamos na fase em que nossa compreensão dos eventos quânticas de muitos corpos é tão ruim que não queremos simular um material específico. Se nós apenas começamos a gerar exemplos mais complicados de sistemas quânticos que não entendemos, então já fizemos progresso.”

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=37158.php

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.087202

O papel do magnetismo nos pnictídeos (clues uncovered to role of magnetism in iron-based superconductors)

  

Cientistas do Oak Ridge National Laboratory usaram a microscopia eletrônica de transmissão e varredura para medir o comportamento magnético em escala atômica de várias famílias de supercondutores baseados em ferro.

Novas medidas do comportamento magnético dos pnictídeos estão desafiando o senso comum sobre supercondutividade e magnetismo. O estudo publicado no Advanced Materials fornece evidências experimentais que flutuações magnéticas locais podem influenciar a performance dos pnictídeos.

“No passado, todos pensavam que magnetismo e supercondutividade não podiam coexistir,” afirma Claudia Cantoni, primeira autora do artigo. “A ideia dos supercondutores é que eles expelem campos magnéticos. Mas na realidade, as coisas são mais complicadas.”

        A supercondutividade é fortemente suprimida pela presença do magnetismo de longo alcance, onde átomos alinham seus momentos magnéticos. Mas o estudo sugere que rápidas flutuações dos momentos magnéticos locais tem um efeito diferente. Não só existe o magnetismo localizado, como também ele está relacionado com uma alta temperatura crítica.

“Alguém poderia pensar que para a supercondutividade existir, não só a ordem de longo alcance mas também os momentos magnéticos locais deveriam morrer”, diz Cantoni. “Se tomarmos uma rápida 'foto' do momento local, ele terá seu máximo onde a supercondutividade está em seu máximo. Isto indica que um grande momento local é bom para a supercondutividade.”

Para caracterizar as propriedades magnéticas individuais dos átomos, os pesquisadores usaram uma combinação de duas técnicas: a STM (Scanning Transmission Electron Microscopy) e a EELS (Electron Energy Loss Spectroscopy). Outras técnicas experimentais não são capazes de obter informações suficientemente detalhadas do momento magnético local.

“Este tipo de medida dos momentos magnéticos geralmente é feita com técnicas que são mais sensíveis ao volume total da amostra, o que significa que eles olham para a média do material”, afirma Cantoni. “Quando você usa o valor médio, não obtém respostas certas”.

Durante quatro anos de estudo, os pesquisadores analisaram compostos de várias famílias de supercondutores a base de ferro (pnictídeos), revelando as tendências universais entre as diferentes amostras. Eles foram capazes de descobrir o número total e a distribuição dos elétrons nos níveis atômicos de energia que determinam os momentos magnéticos locais.

“Verificamos que este número permanece constante para todos os membros desta família”, comenta Cantoni. “O número de elétrons não muda, o que muda são as posições e distribuição dos elétrons nos diferentes níveis. É por isso que o momento magnético difere entre as famílias”.

Os cientistas também dizem que a técnica utilizada por eles nesse estudo poderia ser útil na investigação de outros materiais tecnologicamente interessantes em campos como a eletrônica e armazenamento de dados.

“A microscopia eletrônica tem sido uma técnica de imagem que fornece um monte de informações da estrutura cristalina; agora estamos tentando ir além para obter a estrutura eletrônica,” diz Cantoni. “Não só queremos saber onde os átomos estão, mas o que os elétrons nesses átomos estão fazendo.”

Acesse aqui o artigo: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201401518/abstract

Fonte1: http://www.rdmag.com/news/2014/08/clues-uncovered-role-magnetism-iron-based-superconductors

Fonte2: http://www.ornl.gov/ornl/news/news-releases/2014/ornl-scientists-uncover-clues-to-role-of-magnetism-in-iron-based-superconductors-