Na fronteira entre matéria e antimatéria: físicos descobrem partícula exótica (férmion de Majorana) dentro de materiais supercondutores (scientists find long-sought Majorana particle)

 O dispositivo é feito de um nanofio de índio coberto com um contato de ouro e parcialmente coberto com um contato supercondutor de nióbio. Os férmions de Majorana são criados no final do nanofio. Crédito: Copyright TU Delft 2012

Pesquisadores do TU Delft's Kavli Institute e da Foundation for Fundamental Research on Matter (FOM Foundation) conseguiram detectar pela primeira vez o férmion de Majorana, uma partícula que é um híbrido de matéria e antimatéria. A existência dessa partícula foi proposta pelo físico italiano Ettore Majorana. Leo Kouwenhoven, principal pesquisador do trabalho, causou grande agitação entre os cientistas em fevereiro, apresentando os resultados preliminares em um congresso científico. Agora, os cientistas publicaram sua pesquisa na revista Science.

Computador quântico e matéria escura

Férmions de Majorana são muito interessantes - não só porque a descoberta abre um novo e desconhecido capítulo da física fundamental; eles também podem desempenhar um papel na cosmologia. A teoria proposta pressupõe que a misteriosa “matéria escura”, que forma a maior parte do universo, é composta de férmions de Majorana. Além disso, os cientistas veem as partículas como blocos de construção fundamentais para o computador quântico. Ao contrário do computador quântico “comum”, um computador quântico baseado em férmions de Majorana é excepcionalmente estável e pouco sensível a influências externas.

       

Nanofio

        Pela primeira vez, cientistas no grupo de pesquisa de Leo Kouwenhoven conseguiram criar um dispositivo eletrônico em nanoescala no qual um par de férmions de Majorana “aparece” em uma das extremidades do nanofio. Eles fizeram isso através da combinação de um nanofio extremamente pequeno com um material supercondutor e um forte campo magnético. “As medições das partículas nas extremidades do nanofio não podem ser explicadas a não ser pela presença de um par de férmions de Majorana”, diz Leo Kouwenhoven.

        Teoricamente é possível detectar um férmion de Majorana com um acelerador de partículas. O atual Large Hadron Collider parece ser suficientemente sensível para essa finalidade, mas, de acordo com os físicos, há uma outra possibilidade: férmions de Majorana também podem aparecer em nanoestruturas adequadamente projetados. “O que há de mágico sobre a mecânica quântica é que uma partícula de Majorana criada desta forma é semelhante às que podem ser observadas em um acelerador de partículas, apesar de ser muito difícil de compreender”, explica Kouwenhoven. “Em 2010, dois grupos teóricos diferentes surgiram com uma solução usando nanofios supercondutores e um forte campo magnético. Através de pesquisas anteriores aqui na TU Delft já estávamos muito familiarizados com esses ingredientes.”

Ettore Majorana

O físico italiano Ettore Majorana era um teórico brilhante, que mostrou grande visão sobre a física em uma idade jovem. Ele descobriu uma solução até então desconhecido para as equações das quais os cientistas quânticos deduzem partículas elementares: os férmions de Majorana. Praticamente todas as partículas teóricas previstas pela teoria quântica foram encontrados nas últimas décadas, com apenas algumas exceções, incluindo a partícula de Majorana e o bóson de Higgs. Mas a pessoa Ettore Majorana é tão misteriosa quanto a partícula. Em 1938, ele retirou todo o seu dinheiro e desapareceu durante uma viagem de barco a partir de Palermo para Nápoles. Se ele se matou, foi assassinado ou vivia sob uma identidade diferente ainda não é conhecido. Nenhum traço de Majorana jamais foi encontrado.

Fonte1: http://www.sciencedaily.com/releases/2012/04/120413160004.htm

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/336/6084/1003

Novos supercondutores para aplicações em MagLev (new superconductors for Maglev applications)

Um supercondutor de alta temperatura levita aproximadamente a 3 centímetros ao longo de um trilho magnético em uma demonstração da nova tecnologia da SuperOx.

Um novo material supercondutor da SuperOx pode revolucionar os dispositivos MagLev (levitação magnética), tornando sua produção consideravelmente mais fácil, barata e eficaz. O presidente do Conselho de Administração da SuperOx, Andrey Vavilov, resumiu sucintamente o impacto sobre a indústria de MagLev da nova fita supercondutora: “Nós mudamos as regras do jogo.”

O antecessor

Antes da inovação, as cerâmicas de alta temperatura necessárias para levitação magnética levavam cerca de quatro meses para serem obtidas. Os próprios produtos - que não poderiam ser fabricados em grandes quantidades - eram quebradiços, com uma quantidade elevada de materiais de terras raras. O método era caro, demorado e ineficaz na criação das cerâmicas.

        Apesar das suas desvantagens, as cerâmicas de alta temperatura têm sido utilizadas em protótipos de mancais magnéticos pela Nexans/Siemens; armazenamento de energia pela Boeing; sistemas de transportes pela Evico GmbH; dispositivos de manipulação sem contato pela FESTO. Por estes protótipos, uma tecnologia nova, mais eficaz era necessária para a indústria MagLev.

A Tecnologia

A nova tecnologia da SuperOx utiliza fitas de supercondutores de alta temperatura, com a capacidade de criar produtos em multi-camadas que podem assumir a forma de placas finas, cilindros ou tijolos para satisfazer as necessidades finais do projeto. Estes produtos podem erguer mais de 35 kg usando apenas 20 metros de fita de supercondutores de alta temperatura.

        A tecnologia é muito mais avançada do que a cerâmica de alta temperatura, usando quantidades muito baixas de materiais de terras raras, mas com um alto desempenho de condutividade. O processo de fabricação é rápido e relativamente fácil em comparação com outras tecnologias, tornando este um passo significativo para o mercado MagLev.

        Num futuro próximo, a SuperOx apresentará a tecnologia que deve ser capaz de levitar uma carga de 100 kg, e num futuro mais distante, uma carga de 1 tonelada.

Os resultados

Levitação magnética estável pode ser criada com o uso de materiais supercondutores. Ao usar esta nova tecnologia, as empresas do setor poderão utilizar materiais supercondutores de alta temperatura em qualquer formulação que necessitam, e será muito mais econômica que os métodos anteriores. Todo o mercado MagLev será significativamente melhorada com a introdução deste novo produto, fazendo desta descoberta um verdadeiro sucesso.

Fonte: http://www.prweb.com/releases/2014/10/prweb12212371.htm

Acoplamento elétron-boson em supercondutores de alta Tc (a quick look at electron-boson coupling)

 Espectro trARPES do sistema Bi2212 dopado mostra a intensidade da fotoemissão antes (t= −1 ps) e depois (t=1 and t=10 ps) do bombeamento. As setas marcam a posição de uma torção (dobra) que significa o acoplamento dos elétrons com bósons.

        Imagine ser capaz de sintonizar as propriedades de um material sólido com um piscar dos pulsos de luz em que, por exemplo, um isolante transforma-se em um supercondutor. Isso é apenas um potencial do fenômeno físico de elétrons e átomos interagindo com pulsos de luz ultracurtos. A tecnologia da espectroscopia ultrarrápida é a chave para a compreensão deste fenômeno e agora um novo aspecto foi introduzido por pesquisadores do Berkeley Lab.

        Em um estudo conduzido por Alessandra Lanzara, a espectroscopia trARPES foi usada para medir diretamente a resposta ultrarrápida da auto-energia dos elétrons - uma quantidade fundamental usada para descrever interações de “muitos corpos” em um material - a foto-excitação com luz infravermelha em um supercondutor de alta temperatura. Os resultados demonstraram uma ligação entre os fenômenos de acoplamento elétron-bóson e a supercondutividade. O bóson pode ser uma partícula que transmite força, como um fóton, ou partícula composta de matéria, um núcleo atômico.

        “Abaixo da temperatura crítica do supercondutor, excitações ultrarrápidas provocam uma diminuição síncrona da auto-energia do elétron e o gap supercondutor que continua até o gap ser extinto”, diz Lanzara. “Acima da temperatura crítica do supercondutor, o acoplamento elétron-bóson foi insensível às excitações ultrarrápidas. Estes resultados abrem um novo caminho para o estudo de efeitos de auto-energia e de correlação transitórios em sólidos, como a supercondutividade.”

Alessandra Lanzara e Wentao Zhang usaram a espectroscopia trARPES (time- and angle-resolved photoemission spectroscopy) para demonstrar um link entre o acoplamento elétron-bóson e a supercondutividade de alta temperatura em um cuprato. Crédito: Roy Kaltschmidt, Berkeley Lab

O estudo de elétrons e átomos interagindo com intensos pulsos ópticos ultracurtos é um campo emergente da física. A ARPES tem sido a técnica de longa data escolhida para estudar a estrutura eletrônica de um material. Nesta técnica, os feixes de luz ultravioleta ou raios-X que atingem a superfície ou interface de um material causam uma fotoemissão de elétrons em ângulos e energias cinéticas que podem ser medidos para revelar informações detalhadas sobre as estruturas de banda do material. Embora extremamente poderoso, à ARPES falta o elemento temporal necessário para estudar a dinâmica estrutural da banda.

        Lanzara acrescentou o elemento temporal necessário em seu estudo trARPES. Aplicaram esta técnica a um material conhecido como Bi2212, um composto de bismuto (Bi), estrôncio (Sr), cálcio (Ca) e óxido de cobre (CuO₂), que é considerado um dos mais promissores supercondutores de alta temperatura crítica. Eles energizaram as amostras de Bi2212 com pulsos de luz laser de fentosegundo no infravermelho próximo, então sondaram os resultados com pulsos de luz laser ultravioleta de fentosegundo. O tempo de atraso entre os pulsos da bomba e da sonda foi controlado com precisão de modo que o acoplamento elétron-bóson e o gap supercondutor pudessem ser rastreados ao mesmo tempo.

        “Em cupratos como o Bi2212, há uma torção (dobra) conhecida no padrão de fotoemissão que significa o acoplamento dos elétrons com bósons”, diz Zhang, principal autor do artigo. “No entanto, tem sido muito debatido se esta torção está relacionada de alguma forma com a supercondutividade. Nossos resultados mostram que sim.”

Fonte1: Ultra fast quenching of electron–boson interaction and superconducting gap in a cuprate superconductor. Nature Communications 5, Article number: 4959. doi:10.1038/ncomms5959.

Fonte2: http://newscenter.lbl.gov/2014/10/06/a-quick-look-at-electron-boson-coupling/

 

Fonte3: http://phys.org/news/2014-10-quick-electron-boson-coupling-ultrafast-spectroscopy.html

Acelerador Linear de Elétron produz primeiro feixe de partículas (Canada's Superconducting Electron Linear Accelerator produces first beam)

        Em 30 de setembro, o recém-construído acelerador linear de elétrons produziu seu primeiro feixe de partículas a uma energia inicial de 23 MeV. A tecnologia de aceleração foi projetada e construída em cooperação com instituições e indústrias em todo o país.

O Advanced Rare Isotope Laboratory (ARIEL) está a caminho de se tornar uma das mais sofisticadas instalações de isótopos raros do mundo. A conclusão bem-sucedida do projeto é fruto de uma colaboração notável entre TRIUMF, a indústria canadense, e 13 universidades liderado pela Universidade de Victoria.

O Dr. Gilles Patry, presidente e CEO do TPI, declarou: “A tecnologia desenvolvida tem o potencial para abrir novos caminhos para toda uma série de produtos inovadores e aplicações da ciência e da medicina que irão beneficiar os canadenses.”

ARIEL é composto de muitos sistemas complexos - incluindo cavidades supercondutoras de radiofreqüência (SRF) para aceleração de partículas - cujos milhares de componentes devem trabalhar em conjunto com tolerâncias extremas a fim de obter feixes com sucesso.

Fonte: http://phys.org/news/2014-10-canada-superconducting-electron-linear.html

Maglev-Cobra é aprovado por especialistas

        Em visita técnica ao trem de levitação magnética da Coppe, o Maglev-Cobra, no dia 1º de outubro, especialistas de mais diversos países acompanharam o início da fase de testes da linha experimental aplicada, na Cidade Universitária do Rio de Janeiro. A visita fez parte da programação final da 22ª Conferência Internacional sobre Sistemas de Levitação Magnética e Motores Lineares – Maglev 2014.

“O início da fase de testes do Maglev-Cobra representa uma ruptura de barreira tecnológica para o Brasil. Esta nova etapa tornará esse projeto, que é adequado para o transporte urbano de passageiros, mais visível para a sociedade. O próximo passo será buscar parceiros para que o projeto entre em operação comercial”, afirmou o professor Luiz Pinguelli Rosa, diretor da Coppe/UFRJ.

De acordo com o coordenador do Maglev-Cobra, um dos próximos passos é a realização de testes em linhas maiores. “O Plano Diretor da UFRJ para a Cidade Universitária prevê a implantação de uma linha do Maglev Cobra ligando a estação do BRT da Ilha do Fundão até o Parque Tecnológico da UFRJ”, explicou Richard Stephan, que coordena o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (Lasup) da Coppe.

Confira abaixo a opinião dos especialistas que levitaram no Maglev-Cobra

Um dos primeiros conferencistas a embarcar no trem de levitação magnética da Coppe, Kenji Lars Giler, pesquisador da Universidade de Munique, aprovou a operação. “O design é muito dinâmico e o arranque é suave. Achei bem silencioso”, disse.

O consultor norte-americano, Laurence Blow, que abriu o congresso apresentando os projetos de tecnologia maglev ainda não implantados nos Estados Unidos, ressaltou a importância dos testes em protótipos. “A aplicação da tecnologia é muito importante para a confiabilidade do sistema. Com os testes podemos avaliar funções que precisam funcionar conjuntamente: levitação, condução e propulsão. Para tornar um sistema confiável é necessário repetir centenas e centenas de vezes. Essa é a maneira perfeita de fazer isso”, explicou Blow, presidente do Maglev Transport Inc, Arlington, EUA.

Para o professor da Universidade de Leipzig, Alemanha, o Maglev-Cobra precisa agora de investimento para ser instalado nas ruas, beneficiando os cidadãos. “O que o professor Richard fez é muito bom, com grande perspectiva para o futuro. Agora é necessário levar os benefícios dessa tecnologia para a população”, opinou Johannes Klühspies, que também é presidente da International Maglevboard, uma instituição sem fins lucrativos que promove a Tecnologia Maglev.

Berlin será a sede do próximo Congresso

Durante a cerimônia de encerramento, no dia 30 de setembro, no Hotel Windsor, o professor Richard Stephan agradeceu aos patrocinadores e convocou à mesa o professor do Departamento de Energia Avançada, da Universidade de Tóquio, Hiroyuki Ohsaki, em substituição ao presidente do comitê organizador, Eisuke Masada, para receber, eu seu nome, a homenagem por sua contínua contribuição para o desenvolvimento da tecnologia Maglev.

Ohsaki aproveitou a oportunidade para anunciar que a sede da próxima conferência será em Berlin, na Alemanha, em 2016 ou 2017.

Fonte: http://www.planeta.coppe.ufrj.br/artigo.php?artigo=1878

Coppe inicia testes do Maglev-Cobra

        A Coppe/UFRJ iniciou, hoje, 1º de outubro, a fase de testes operacionais do trem de levitação magnética, o Maglev-Cobra. A primeira viagem do veículo aconteceu na manhã desta quarta-feira, durante visita técnica de cerca de 60 pesquisadores de vários países à linha de testes do trem de levitação magnética da Coppe, na Cidade Universitária. A visita fez parte da programação da 22ª Conferência Internacional sobre Sistemas de Levitação Magnética e Motores Lineares – Maglev 2014, realizada de 28 de setembro a 1º de outubro, no Rio de Janeiro, que reuniu os maiores especialistas em levitação magnética do mundo. Os testes se estenderão até 2015, quando o veículo será inaugurado, e passará a transportar alunos, professores, funcionários e visitantes do campus.

        A data de hoje tem um enorme significado para a Coppe/UFRJ e para a pesquisa no Brasil. Ao levitar e percorrer pela primeira vez a linha experimental de 200 metros que liga o Centro de Tecnologia 1 (CT 1) ao Centro de Tecnologia 2 (CT 2) da UFRJ, o Maglev-Cobra inseriu o Brasil no pequeno grupo formado pelos países detentores das tecnologias de levitação magnética até o momento: Alemanha, China, Japão e EUA.

        O Maglev-Cobra é o primeiro veículo no mundo a transportar passageiros utilizando a tecnologia de levitação magnética por supercondutividade. A Alemanha e a China também já fazem experiências com essa mesma tecnologia, mas os seus projetos ainda se encontram em fase de testes em laboratório. Ainda não foram implantadas linhas de teste.

Alemanha, China e Japão já aplicam a levitação magnética ao transporte. No Japão e na China, que utiliza o processo desenvolvido na Alemanha, as tecnologias de levitação magnética adotadas são a eletromagnética e a eletrodinâmica. Os Estados Unidos possuem alguns projetos, mas ainda não implantaram linhas de teste.

“O início da fase de testes do Maglev-Cobra representa uma ruptura de barreira tecnológica para o Brasil. A nova etapa tornará mais visível para a sociedade esse projeto voltado para o transporte urbano de passageiros. O próximo passo será buscar financiadores e parceiros para que o projeto entre em operação comercial”, afirmou o professor Luiz Pinguelli Rosa, diretor da Coppe/UFRJ.

A expectativa é que aconteça no Brasil o mesmo que ocorreu no Japão, onde a linha de testes de Yamanashi, criada em 1997, com 18,4 km, foi remodelada e ampliada para 42,8 km em 2013. Até 2011, foram percorridos 874 mil quilômetros em testes. Ontem, durante sua palestra na 22ª Conferência Internacional Maglev, o professor da Universidade de Tóquio, Hiroyuki Ohsaki, informou ontem que a ligação comercial por trem Maglev entre Tóquio e Nagoya deverá ser inaugurada em 2027. Uma outra linha, entre Tóquio e Osaka, deverá começar a operar até 2045.

“Estou me sentindo como um pai no dia do nascimento do filho”, afirmou o coordenador do projeto do Maglev-Cobra, Richard Magdalena Stephan, professor da Coppe/UFRJ. “Agora é educar essa criança. O trabalho está apenas começando”, disse Stephan referindo-se ao início da fase de testes na linha de demonstração, durante a qual o projeto receberá os ajustes necessários.

Visita técnica inicia fase de testes do veículo

        O primeiro dia de testes do Maglev-Cobra na linha experimental na Cidade Universitária foi acompanhado de perto por cerca de 60 pesquisadores do Brasil e do exterior. Entre eles estavam alguns dos maiores especialistas do mundo em levitação magnética, como o professor da Universidade de Tóquio, Hiroyuki Ohsaki, autor de importantes estudos sobre supercondutividade, sistemas de acionamento linear e magnético; o vice-diretor do National MagLev Transportation Development da China, Lin Guobin, responsável pelo projeto do trem Maglev de Shanghai; o consultor americano, Laurence Blow, que desenvolve estudos para aplicação da tecnologia de levitação magnética em trens de alta velocidade e para transporte urbano; e o pesquisador Rüdiger Appunn, do Institute of Electrical Machines (IEM) da Alemanha, que iniciou estudos para aplicação da levitação magnética na propulsão de elvadores.

Ao final da fase de testes, o Maglev-Cobra será certificado por uma instituição técnica, que avaliará o desempenho do veículo de levitação em quesitos como estabilidade, propulsão, velocidade, aceleração e frenagem. Após receber o aval do órgão ou empresa certificadora, o Maglev-Cobra estará apto para entrar em fase de industrialização e poderá ser implantado em trajetos mais longos.

De acordo com o professor Richard Stephan (foto acima), um dos próximos passos é a realização de testes em linhas maiores. “O Plano Diretor da UFRJ para a Cidade Universitária prevê a implantação de uma linha do Maglev-Cobra ligando a estação do BRT da Ilha do Fundão até o Parque Tecnológico da UFRJ”, explicou Richard Stephan, que coordena o Laboratório de Aplicações de Supercondutores (Lasup) da Coppe.

O projeto da Coppe já começa a fase de testes operacionais no nível 7 de uma escala de evolução tecnológica utilizada pela Nasa, que vai até 9. “Ao atingir a etapa seguinte, o projeto estará pronto para a industrialização”, adianta Richard Stephan. Segundo o professor da Coppe, na etapa atual de desenvolvimento o Maglev será conduzido por um piloto. Os pesquisadores do Lasup, no entanto, já estão trabalhando para que a próxima versão do trem circule de forma automática, sem a presença de um condutor.

Fonte: http://www.planeta.coppe.ufrj.br/artigo.php?artigo=1877