Menor geladeira do mundo vai congelar qubits e pixels

Redação do Site Inovação Tecnológica - 25/11/2014

Esquema de funcionamento e visão superior da microgeladeira. [Imagem: Hung Nguyen/Hanoi University of Science/QNES/CNRS]

Microgeladeira

Algumas vezes é necessário resfriar muito coisas grandes - de um metro cúbico, por exemplo. Noutras, o frio deve ser igualmente radical, mas em volumes muito menores. Para esses casos, Hung Nguyen e seus colegas da Universidade de Hanói (Vietnã) e Aalto (Finlândia), criaram aquela que pode ser chamada de a menor geladeira do mundo. O microrrefrigerador funciona arrancando elétrons de alta energia de um metal e transferindo-os para um supercondutor, levando com eles o calor.

Refrigeração eletrônica

Esta técnica de refrigeração eletrônica usa duas junções metal-isolante-supercondutor. Quando uma tensão é aplicada à junção, elétrons de energia mais alta (quentes) fluem para fora do metal em direção ao primeiro supercondutor, enquanto elétrons de energia mais baixa (frios) fluem para o metal vindos do segundo supercondutor.

Para evitar que quasipartículas chamadas excitons (pares elétron-lacunas), que têm alta energia relativa, voltem para o metal e atrapalhem o resfriamento, a equipe criou um "ralo para quasipartículas", uma fita de alumínio-manganês que transfere a energia dos excitons para fônons na própria fita.

O protótipo conseguiu resfriar pequenas peças, com alguns micrômetros cúbicos, de -150 millikelvin (mK) para -30 mK. Para comparação, a supergeladeira usada no detector de neutrinos Cuore atinge -10 mK.

Segundo a equipe, essa microgeladeira pode ser instalada diretamente no interior de um chip para resfriar qubits de processadores quânticos ou os sensores ultrassensíveis das câmeras usadas em telescópios.

Bibliografia:

Sub-50-mK Electronic Cooling with Large-Area Superconducting Tunnel Junctions. H. Q. Nguyen, M. Meschke, H. Courtois, J. P. Pekola, Physical Review Applied Vol.: 2, 054001. DOI:10.1103/PhysRevApplied.2.054001 http://arxiv.org/abs/1402.5872

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=menor-geladeira-mundo&id=010165141125&ebol=sim#.VH4VBcnN5qR

Auto-dopagem pode ser a chave para a supercondutividade em temperatura ambiente (self-doping may be the key to superconductivity in room temperature)

Comparação dos dados de XAS de duas temperaturas diferentes mostra os resultados da refrigeração em uma redistribuição de cargas entre os planos do supercondutor YBCO. Crédito: Martin Magnuson/LiU

Em supercondutores, as perdas de energia por resistência são zero. Em função disso, existem muitas aplicações tecnologicamente interessantes visando a economia de energia elétrica e benefícios para o setor de transporte. Eletroímãs em motores elétricos, por exemplo, podem ser menores com campos magnéticos mais fortes e com menor consumo de energia; trens de levitação magnética podem atingir velocidades mais elevadas, evitando atrito com os trilhos.

        Por outro lado, a necessidade de resfriamento destes materiais a temperaturas muito baixas continua a ser um obstáculo não superado. Um dos principais objetivos da pesquisa em supercondutividade é encontrar um material que seja supercondutor à temperatura ambiente. No entanto, o mecanismo subjacente à supercondutividade de alta temperatura ainda não é totalmente compreendido.

Pesquisadores fizeram uma descoberta que pode lançar nova luz sobre este fenômeno. Duas técnicas foram utilizadas para medir as propriedades do YBa₂Cu₃O_7-x (YBCO) à temperatura ambiente e a -258 °C: a X-ray Absorption Spectroscopy XAS (espectroscopia de absorção de raios-X) e a Resonant Inelastic X-ray Scattering RIXS (espalhamento ressonante inelástico de raios-X).

O YBCO é uma cerâmica supercondutora bem conhecida à base de cobre com temperatura crítica T_C = -183 °C. O que torna o YBCO um supercondutor especial é por ser constituído de dois tipos de unidades estruturais, isto é, ‘planos’ de óxido de cobre empilhados que transportam a corrente supercondutora, separados por ‘cadeias’ de óxido de cobre no meio. O papel das cadeias no YBCO confundiu os cientistas desde sua descoberta em 1987. A T_C pode ser influenciada no processo de síntese variando a ‘dopagem de oxigênio’, e assim o comprimento do cadeias.

Estrutura do supercondutor YBCO

        Há muito se assumiu que o nível de dopagem foi determinado unicamente pela estrutura das cadeias no momento da síntese. Em contrapartida, os novos resultados experimentais mostram que as cadeias no YBCO reagem à refrigeração, fornecendo aos planos de óxido de cobre com carga positiva (elétron-buraco) um mecanismo chamado de autodopagem. Combinando a RIXS com modelos de cálculos, os pesquisadores descobriram que a autodopagem é acompanhada por mudanças nas ligações de cobre e oxigênio que conectam os planos com as cadeias.

        Esta descoberta inovadora de autodopagem no YBCO desafia o entendimento tradicional do mecanismo da supercondutividade em supercondutores de alta temperatura à base de cobre, que pressupõe um nível de dopagem constante nos planos de óxido de cobre. Alguns experimentos anteriores dependentes da temperatura terão agora de ser revistos à luz desta nova descoberta, e, assim, ajudar a resolver o enigma da supercondutividade de alta temperatura. Os pesquisadores planejam realizar um estudo mais detalhado dependente da temperatura para determinar se a reestruturação e redistribuição da ocupação orbital ocorre exatamente na transição de fase para a supercondutividade ou se ele já ocorre a uma temperatura mais elevada na conhecida região de pseudogap.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-11/lu-smb111314.php

Fonte2: http://www.nature.com/srep/2014/141112/srep07017/full/srep07017.html

Mercado global de supercondutores 2014-2018 (Global Superconductor Market 2014-2018)

O mercado global de supercondutores deverá crescer a uma taxa anual média de 2,77% em relação ao período 2013-2018. Um dos principais fatores que contribuem para o crescimento desse mercado é o aumento da demanda por infraestrutura da rede de energia avançada. O mercado também tem assistido a crescente demanda por equipamentos de ressonância magnética. No entanto, o alto custo dos sistemas de resfriamento dos supercondutores pode representar um desafio para o crescimento maior deste setor.

        A crescente demanda por equipamentos de ressonância magnética é um dos principais fatores emergentes no mercado global supercondutor. O aumento do número de pacientes e da incidência de doenças neurológicas, oncológicas e cardíacas em todo o mundo resultaram na adoção mais ampla de equipamentos de ressonância magnética. Os profissionais médicos especializados constantemente atualizam seus equipamentos para fornecer tratamento e diagnóstico eficaz. Como equipamentos de ressonância magnética produzem melhor qualidade de imagem, fundamental no diagnóstico de lesões cerebrais e acidente vascular cerebral, tem havido um aumento da adoção de tais equipamentos entre os profissionais médicos. A necessidade de um diagnóstico eficaz está impulsionando a adoção de equipamentos em grandes hospitais, instituições governamentais e grandes centros de diagnóstico. A taxa de adoção de sistemas de ressonância magnética supercondutores deverá aumentar devido à sua alta qualidade de imagem e relação custo-benefício.

        A crescente demanda por energia elétrica e alta perda de transmissão na rede também tem impulsionado a adoção de supercondutores. O maior desafio neste mercado é o elevado custo dos sistemas de refrigeração. O desenvolvimento e implantação de supercondutores requerem sistemas de refrigeração com refrigeradores criogênicos, e como estes são muito caros, eleva-se o custo total de produção, causando uma redução no uso de supercondutores.

        O desafio agora é desenvolver um sistema de refrigeração economicamente viável ou sintetizar um material supercondutor que não necessite de resfriamento.

Fonte: http://www.companiesandmarkets.com/Market/Information-Technology/Market-Research/Global-Superconductor-Market-2014-2018/RPT1224897

Mercado global supercondutor impulsionado pelo avanço em pesquisa de materiais à base de ferro (global superconductor market boosted by breakthrough in iron-based materials research)

       Supercondutores tiveram considerável exposição nos meios de comunicação não científicos devido a uma série de descobertas. No início de novembro, pesquisadores da Universidade de Rutgers usaram um supercomputador para desenvolver métodos que podem ser utilizados para identificar quais materiais têm propriedades supercondutoras. Usando milhões de horas de processamento do Titan de 27 petaflop para desenvolver algoritmos de estrutura eletrônica, os pesquisadores foram capazes de modelar a dinâmica de spin em materiais à base de ferro.

       O estudo publicado na revista Nature Physics, oferece novas formas de estudar a dinâmica de spin em materiais não supercondutores, potenciais materiais supercondutores e os materiais que apresentam barreiras para o estudo convencional, tais como aqueles com propriedades radioativas.

      O princípio básico da supercondutividade é relativamente simples. Quando arrefecido até uma temperatura suficientemente fria, alguns materiais permitem o fluxo de corrente elétrica sem qualquer resistência, abrindo um amplo espectro de aplicações potenciais, tais como os magnetos de alto desempenho, cabos de alimentação, limitadores de corrente, equipamento de ressonância magnética nuclear etc. Supercondutores são frequentemente utilizados por empresas de energia para melhorar o desempenho da rede. Uma empresa líder que usa a tecnologia de supercondutores é a American Superconductor, fornecedora de equipamentos elétricos em grande escala para a indústria de energia eólica. O valor de mercado da companhia foi de cerca de US $ 110 milhões, na sequência de uma atualização de resultados trimestrais no início deste mês.

      Embora a mecânica quântica por trás da supercondutividade de alta temperatura ainda ser pouco compreendida, na última década, a ciência tem feito progressos consideráveis com materiais à base de ferro. No início deste ano, pesquisadores do Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory expandiram a fronteira do conhecimento da supercondutividade e magnetismo em supercondutores à base de ferro.

       Pensava-se que magnetismo e supercondutividade não poderiam coexistir uma vez que supercondutores convencionais repelem campos magnéticos. Evidência experimental utilizando uma combinação da scanning transmission electron microscopy com a electron energy loss spectroscopy para caracterizar as propriedades magnéticas dos átomos individuais, indica que rápidas flutuações de momentos magnéticos locais estão correlacionadas com uma elevada temperatura crítica, e pode influenciar o desempenho de supercondutores à base de ferro.

       Além da American Superconductor Corp., as principais empresas que dominam este setor são Bruker Corp., Southwire Co., SuperPower Inc. e Sumitomo Electric Industries Ltd.

Fonte: http://www.companiesandmarkets.com/News/Information-Technology/Global-superconductor-market-boosted-by-breakthrough-in-iron-based-materials-research/NI9789

Turbinas supercondutoras poderiam reduzir os custos de energia eólica na Austrália (superconductor turbines could slash Australian wind energy costs)

     Novas turbinas supercondutoras desenvolvidas por pesquisadores australianos pode resultar em uma significativa melhora sobre turbinas atuais, e permitir o desenvolvimento de turbinas eólicas no mar ao longo da costa da Austrália no prazo de 5 anos.

         Um supercondutor é um material que conduz eletricidade sem qualquer resistência. Isso significa que nenhum calor, som ou qualquer outra forma de energia pode ser liberada do material quando se atinge uma ‘temperatura crítica’, ou a temperatura que o material se torna supercondutor.

         As novas turbinas, desenvolvidas por uma equipe do Institute for Superconductingand Electronic Materials da Universidade de Wollongong, vai pesar 40% menos do que as turbinas atuais apenas por tirar a caixa de velocidades presente nos modelos atuais. A remoção da complexa caixa de engrenagem, pesada e dispendiosa, também significa a remoção de uma grande quantidade de manutenção.

         “Em nosso projeto não há nenhuma caixa de velocidades, que imediatamente reduz o tamanho e o peso em 40%”, afirma Shahriar Hossain, pesquisador e cientista de materiais. “Estamos desenvolvendo uma bobina supercondutora de diboreto de magnésio (MgB₂) para substituir a caixa de engrenagens. Isso irá capturar a energia do vento e convertê-la em eletricidade, sem qualquer perda de potência, e irá reduzir os custos de fabricação e manutenção em dois terços”.

         Outro grande benefício é o custo de construção da turbina que será drasticamente reduzido. Atualmente, ela custa cerca de US $ 15 milhões por turbina, enquanto as novas que utilizam supercondutores tem o custo estimado em cerca de US $ 3-5 milhões.

         “A Austrália precisa desesperadamente de fontes de energia sustentáveis. O vento é barato, limpo e podemos obtê-lo em dias chuvosos e ensolarados”, disse ele. “E considerando que a Austrália tem mais de 35.000 km de litoral, há amplo espaço para parques eólicos offshore. Com o apoio da indústria, poderíamos instalar turbinas eólicas supercondutoras offshore ao longo da costa da Austrália, em cinco anos, sem problema”.

Fonte: http://reneweconomy.com.au/2014/super-conductor-turbines-could-slash-australian-wind-energy-costs-84828

Observado um novo e intrigante comportamento em supercondutores de alta temperatura (puzzling new behaviour observed in high-temperature superconductors)

Pesquisadores do PSI: Thorsten Schmitt e Yaobo Huang. Crédito: Paul Scherrer Institute / Mahir Dzambegovic

        Uma equipe internacional de pesquisadores do National AcceleratorLaboratory, da Universidade de Stanford e do Instituto Paul Scherrer (Villigen, Suíça), observaram um novo tipo de comportamento em supercondutores de alta temperatura à base de cobre. Explicar o novo fenômeno - uma nova forma do movimento coletivo das cargas elétricas no material - representa um grande desafio para os pesquisadores. Explicar o fenômeno satisfatoriamente pode ser um passo importante para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Os experimentos foram conduzidos no Scherrer Institute Paul Swiss Light Source. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Physics.

        “Materiais supercondutores à temperatura ambiente poderiam ajudar a salvar uma grande quantidade de energia”, explica Thomas Devereaux, chefe da equipe de pesquisa SLAC. “Mas, a fim de desenvolver tais materiais, temos que entender o que se passa dentro deles quando eles se tornam supercondutoras. Nossos resultados das últimas pesquisas fornecem uma peça chave neste quebra-cabeça de longa data.”

        Óxido de cobre - um material cerâmico - normalmente não conduz eletricidade. No entanto, pode tornar-se supercondutor se uma pequena fração dos átomos do material é substituído com átomos de certos outros elementos, aumentando ou diminuindo o número de elétrons no material - uma técnica chamada de doping (dopagem). Além disso, o material deve ainda ser fortemente esfriado. A quantidade de resfriamento depende do tipo de átomos substituídos: átomos que fornecem elétrons adicionais exigem esfriar o material a 30 K, ou seja, trinta graus acima do zero absoluto. Já átomos que reduzem o número de elétrons, é suficiente arrefecer a 120 Kelvin. Um dos objetivos da pesquisa era descobrir a razão para este comportamento diferente sob efeito da dopagem.

 

Mostrando o movimento dos portadores de carga

        A fim de determinar como a dopagem altera as propriedades do material, os pesquisadores utilizaram uma técnica experimental moderna baseada na luz de raios-X conhecida como Resonant Inelastic X-ray Scattering (RIXS). Os experimentos foram realizados no instrumento RIXS do Scherrer Institute Paul Swiss Light Source (SLS). “Esta instalação atualmente possui a maior resolução do mundo e pode revelar como portadores individuais de carga - os elétrons – movem-se sob os estímulos dos raios-X incidentes. Os resultados de tais estímulos são excitações que podem ser imaginadas como ondas de propagação através do material se uma de suas propriedades muda em algum lugar”, explica Thorsten Schmitt, o cientista responsável por esta facilidade no Paul Scherrer Institute. Estas propriedades modificadas podem ser a distribuição das cargas elétrica ou a ordem magnética no material. A ordem magnética pode emergir quando elétrons dentro de alguns materiais se comportam como pequenos ímãs. Se estes ímãs estão dispostos num padrão regular, este é referido como uma ordem magnética. Ondas podem ser induzidas por esta ordem se ímãs individuais são movidos fora de posição e este deslocamento viaja de ímã para ímã. No entanto, a excitação não necessariamente se espalha no mesmo sentido em que os ímãs individuais foram movidos - bem como uma onda de água se desloca através da superfície da água, embora as moléculas de água individuais só se movem para cima e para baixo. Para ambos, a onda magnética e a onda de água, a direção de propagação da onda como um todo é importante, isto é, a direção em que a onda transporta energia, a qual, no caso da onda da água, é usada por um surfista, por exemplo.

 Esta animação mostra ondas de spin se propagando através de um material antiferromagnético, em que átomos vizinhos (bolas) têm spins opostos (setas). Quando um fóton, ou partículas de luz (bola de ouro), do comprimento de onda certo atinge um átomo e perturba a sua rotação, o distúrbio se espalha como ondulações na água. Estas ondas de spin podem ser detectadas com a técnica RIXS, que analisa a energia e a quantidade de movimento dos fótons emitidos pelo material perturbado. Experimentos realizados por uma equipe internacional de pesquisadores no PSI encontraram comportamentos incomuns de ondas de spin em um material supercondutor de óxido de cobre. O próximo passo é ver se e como esta nova excitação está relacionada com a capacidade do material conduzir eletricidade com 100% de eficiência. Crédito: SLAC National Accelerator Laboratory, Martin Böhm, Alain Filhol e Mathieu Ippersiel / Neutrons4Science

A mais alta precisão no instrumento PSI

“Em um experimento RIXS, você ilumina a amostra com raios-X, o que estimula uma onda magnética na amostra”, explica Schmitt. “Os raios-X transferem parte da sua energia para a onda magnética no processo. Comparando a energia da luz de raios-X que entra na amostra com a luz que sai, é possível recolher informações sobre as propriedades das ondas magnéticas estimuladas - especialmente sua energia”. Schmitt explica por que as medições foram realizadas no PSI: “Em nenhum outro lugar no mundo pode a energia de tais excitações ser medida com maior precisão do que em nosso instrumento RIXS no PSI”.

        Os experimentos revelaram duas coisas intrigantes. “Por um lado, a energia magnética transportada pela excitação aumentou por um fator inesperadamente grande nos materiais com excesso de elétrons. Por outro, a formação de novas excitações coletivas - uma forma particular do movimento coletivo de cargas elétricas - foi detectada nestes mesmos materiais”, relata Wei Sheng-Lee, o primeiro autor da publicação na revista Nature Physics. “No entanto, é um mistério a respeito do porque não observamos esse fenômeno em materiais com deficiência de elétrons, afinal, seria de esperar que eles se comportassem de forma semelhante àqueles com um excedente de elétrons.”

A longa e árdua luta para a compreensão

A nova descoberta é um dos passos na longa e árdua luta para a compreensão da supercondutividade de alta temperatura. Desde 1950, os cientistas sabem por que certos metais e ligas simples tornam-se supercondutores quando são resfriados a alguns graus acima do zero absoluto. Seus elétrons se unem para formar pares, que são feitos em conjunto pelas oscilações atômicas que atuam como uma espécie de cola virtual. Acima de certa temperatura, a cola já não mantém os pares porque os átomos se movimentam cada vez mais forte e separa os elétrons, fazendo desaparecer a supercondutividade.

        Desde 1986, cientistas descobriram uma série de novos materiais que se tornam supercondutores a temperaturas mais elevadas, entre 30 e 120 K - os chamados supercondutores de alta temperatura. A esperança agora é ser capaz de produzir supercondutores à temperatura ambiente ou a temperaturas ainda mais altas se melhorarmos nossa compreensão de como esses materiais funcionam.

Como os elétrons formam pares

Permanece obscuro como exatamente ocorre o emparelhamento de elétrons. Até recentemente, a suposição era de que em temperaturas mais altas, os pares de elétrons são mantidos juntos por fortes excitações magnéticas, que são geradas pelas interações entre os spins de elétrons. As simulações computacionais mais recentes realizadas por pesquisadores da SLAC, revelam que as interações magnéticas de alta energia não podem ser as únicas responsáveis pela formação de pares de elétrons.

        De acordo com os últimos resultados, salienta Lee, também não é claro se a excitação coletiva das cargas elétricas está ligada ao emparelhamento de elétrons nos supercondutores de alta temperatura. Depois de tudo, não se sabe se o novo efeito é favorável para a supercondutividade ou se é um obstáculo.

        “Os físicos teóricos agora tem de considerar os novos resultados em suas explicações sobre a origem da supercondutividade de alta temperatura”, diz Schmitt.

Fonte1: http://phys.org/news/2014-10-puzzling-behaviour-high-temperature-superconductors.html

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n11/full/nphys3117.html