Agência de inteligência dos EUA pretende desenvolver um supercomputador usando supercondutores (US intel agency is developing a superconducting exascale computer and cryogenic memory)

Um chip supercondutor do MIT, que usa junções Josephson

O setor secreto de inteligência do governo dos EUA, a Intelligence Advanced Research Projects Activity (IARPA), anunciou um programa para construir um supercomputador empregando materiais supercondutores. A IARPA junto com a IBM, Raytheon e Northrop Grumman deverão desenvolver o supercomputador, mas os detalhes financeiros exatos do acordo não estão disponíveis. Em última análise, a finalidade do programa é construir um supercomputador em escala exa - um computador que é capaz de executar, pelo menos, 1.000 petaflops (1 exaflop), ou cerca de 40 vezes mais rápido do que os supercomputadores atuais. E sim, caso você esteja se perguntando, esse supercomputador certamente será usado por agências como a CIA e a NSA para quebrar mensagens criptografadas.

        Como você provavelmente já deduziu, a IARPA é uma versão de inteligência do Departamento de Defesa dos Estados Unidos (DARPA). Uma rápida olhada nos programas de pesquisa da IARPA mostra semelhanças com a DARPA, mas com um viés para a engenharia social, computação neuromórfica e análise de big data. Neste caso, o supercomputador supercondutor é parte do programa Cryogenic Computing Complexity (C3).

        A principal tarefa do C3 é encontrar um caminho para a computação em escala exo, que não exija requisitos de energia e refrigeração extremamente caros. Os melhores supercomputadores atuais no mundo consomem cerca de 10 megawatts de energia para fornecer 20 petaflops de computação. Enquanto o hardware está se tornando energeticamente mais eficiente - graças aos avançados nós como o Intel 14 nm e o monstruoso paralelismo do CPU Power8 da IBM - esses avanços por si só não são suficientes para tornar viável a computação em escala exo. É necessário um novo tipo de computação, uma alternativa que não consuma tanta energia nem produza tanto calor.

Já existem alguns processadores quânticos supercondutores, como este de 128 qubit da D-Wave - mas eles não são capazes de aplicações em supercomputação

        Introduzir a lógica supercondutora - que é essencialmente um termo genérico para qualquer tipo de computador que usa a supercondutividade para reduzir a zero a resistência do circuito/transistor - reduzirá massivamente o consumo de energia e a geração de calor. Neste caso, parece que as companhias envolvidas no projeto deverão investigar especificamente a utilização de junções Josephson. Basicamente, se você colocar um semicondutor no meio de um fio supercondutor, você pode ativar o efeito Josephson em um interruptor(comutador,chave) com um baixíssimo consumo de energia. Essa abordagem é chamada de single-flux quantum (SFQ) logic – lógica de um único fluxo de quantum (SFQ) - e mais importante, é possível usá-la para conduzir um computador digital (binário). (computação usando supercondutores faz referência à computação quântica, mas nem sempre)

        O programa C3 da IARPA também considera o desenvolvimento da memória criogênica, que vai operar muito próxima com a CPU contendo supercondutores - mas atualmente não há detalhes sobre o aspecto dessa memória. Em ambos os casos, o poder de processamento não tem sentido sem os caches e a memória principal para apoiá-la.

        O plano é construir um protótipo de lógica supercondutora e memória, e se for um sucesso, avançar para a fase 2 do C3, que deverá ver essas novas tecnologias trabalhando em um supercomputador supercondutor utilizável. Pesquisas iniciais sugerem que a lógica supercondutora pode comutar a velocidades de 770 GHz, e fornecer cerca de 100 petaflops de desempenho enquanto consome apenas 200 kilowatts.

Nesse ínterim, a IBM e a Nvidia estarão prontas para construir dois supercomputadores de 150 petaflops para o Departamento de Energia dos Estados Unidos - que vai ser, de longe, os supercomputadores mais eficientes do mundo, mas que continuam a consumir energia suficiente para alimentar milhares de residências.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/195322-us-intel-agency-is-developing-a-superconducting-exascale-computer-and-cryogenic-memory

Supercondutores em automação industrial (Superconductive Factory Automation for Lower Friction and Faster Manufacturing)

Poderia a supercondutividade, o Santo Graal da engenharia elétrica, formar uma base para automação industrial? A fábrica do futuro pode ser sem atrito com levitação magnética em seu interior.

A empresa de automação Festo desenvolveu um conceito para a fabricação com supercondutores que sugere o impossível: ausência de atrito, movimento de alta precisão sem unidades complexas e feedback dos sistemas de controle.

Materiais supercondutores podem “congelar” o campo de um ímã permanente nas proximidades e mantê-lo em suspensão a uma distância fixa. O intervalo de ar estável produzido permite o movimento sem contato de objetos, sem perdas por atrito e sem a necessidade de mecanismos de controle tradicionais.

Imagine uma fábrica de semicondutores que mantém um ambiente hermeticamente isolado. Se a fábrica for capaz de movimentar os vários componentes de todo o conjunto, sem os passos típicos de manipuladores remotos, todo o processo pode ser automatizado.

O vídeo de demonstração da Festo mostra o movimento de um objeto levitando em todas as direções. Também mostra a manipulação do próprio elemento supercondutor: o criostato com o material supercondutor é transferido de um sistema de eixo elétrico para outro.

O vídeo mostra a facilidade com que os objetos podem ser movidos dentro de um espaço hermeticamente fechado. Operações com semicondutores dentro de câmaras a vácuo podem ser uma aplicação natural, assim como outras indústrias com ambientes nucleares, produtos farmacêuticos etc.

 
Supercondutores prometem liberdade de movimento, com controle

Ferramentas livres flutuantes operando dentro de ambientes hermeticamente fechados resolvem muitos problemas, mas o controle é sempre um problema. Outro conceito da Festo demonstra o movimento livre de colisões de sistemas autônomos em uma área fechada, exatamente a solução do problema de controle para elementos de automação livre flutuando em ambientes hermeticamente fechados.

Oito esferas brancas voam em todas as direções acima das cabeças dos espectadores, antes que os movimentos aleatórios evoluam para uma forma organizada. De repente, uma das esferas se destaca e os outros seguem-na como pérolas em um colar. A linha perfeita se transforma em uma curva senoidal no ar até as esferas formarem um círculo, parte de uma coreografia elaborada exibida pelo conceito eMotionSpheres.


Coordenação entre compenentes voadores

O vídeo mostra como objetos podem ser coordenados sem colidir em um espaço tridimensional. Dez câmeras instaladas na sala monitoram as esferas através de seus marcadores de infravermelhos (LEDs) e transmitem os dados da posição para um computador central.

As ações calculadas são enviadas de volta para os objetos e são executadas localmente. No computador existem caminhos pré-programados, que especificam as rotas de voo das esferas quando voam em formação. Graças aos padrões de comportamento adicionalmente armazenados, as esferas podem se mover autonomamente pelo espaço.

Aplicações ilimitadas sem as restrições da gravidade

A aplicação no mundo real dos conceitos desenvolvidos pela Festo vai exigir vários avanços tecnológicos. Para aplicações de produção em larga escala, por exemplo, o sistema de propulsão terá de transportar uma carga útil e manter a precisão de posicionamento e repetibilidade apesar de massas inerciais várias vezes o peso dos próprios robôs.

O aspecto da levitação magnética também é limitado por limites na tecnologia atual dos supercondutores. O objetivo é a supercondutividade em temperatura ambiente, e, apesar de ser possível aproveitar o fenômeno usando refrigerantes comercialmente disponíveis como o nitrogênio líquido, o estado da arte está longe da produção em escala comercial. Quando a supercondutividade em temperatura ambiente for obtida, a tecnologia de controle já estará implementada.

Fábricas com enxames de pequenos robôs que voam em um ballet autônomo, montando e transportando peças em três dimensões é uma possibilidade real. O calendário será provavelmente em décadas, mas não em séculos.

Fonte: http://www.engineering.com/AdvancedManufacturing/ArticleID/9057/Superconductive-Factory-Automation-for-Lower-Friction-and-Faster-Manufacturing.aspx

Supercondutor à base de ferro tem uma temperatura crítica superior ao nitrogênio líquido (Iron superconductor has a critical temperature above liquid nitrogen)

Influência de um campo magnético externo na resistência nula detectada nas medidas de transporte com o método das quatro pontas em uma amostra de FeSe/STO.

Um filme de camada única de um supercondutor à base de ferro apresentou temperatura crítica superior a do nitrogênio líquido (N_2(l)). Supercondutores refrigerados com N_2(l) são muito mais baratos de operar do que aqueles que necessitam de temperaturas mais baixas.

        Experiências recentes sobre filmes de FeSe crescidos em um substrato de SrTiO₃ (STO) sugerem que efeitos de interface podem ser utilizados como um meio para alcançar supercondutores com temperaturas críticas (T_C) de até 80 K. Isto é cerca de dez vezes a T_C do FeSe e superior ao valor recorde de 56 K para supercondutores à base de Fe.

Crescimento e caracterização de uma película de camada única de alta qualidade do FeSe.

Juntamente com recentes estudos da supercondutividade em interfaces de heteroestruturas, estes resultados reacendem a ideia de longa data que o emparelhamento de elétrons nas interfaces entre dois materiais diferentes podem ser adaptadas para alcançar a supercondutividade de alta temperatura.

Medidas de Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES – espectroscopia de fotoemissão com resolução angular – tradução livre) do sistema FeSe/STO revelaram uma estrutura eletrônica distinta do FeSe, com um gap de energia desaparecendo em torno de 65 K. No entanto, as medidas de transporte elétrico detectaram resistência zero somente abaixo de 30 K. Agora, pesquisadores relataram a observação da supercondutividade acima de 100 K no sistema FeSe/STO, confirmando-o como um material para o estudo da supercondutividade de alta Tc.

Fonte1: http://nextbigfuture.com/2014/11/iron-superconductor-has-critical.html

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4153.html

Físicos brasileiros propõem modelo experimental para detectar férmion de Majorana em supercondutores

Em 1938, Ettore Majorana, um físico italiano de 31 anos, desapareceu sem deixar vestígios. Seu orientador, Enrico Fermi, que naquele mesmo ano ganhou o prêmio Nobel de Física, o comparou ao inglês Isaac Newton (1643-1727), posicionando-o vários degraus acima dos maiores expoentes de uma época fértil em gênios científicos. As habilidades matemáticas de Majorana eram prodigiosas.

Ettore Majorana

Costumava esboçar proposições teóricas sofisticadas em maços de cigarro, que, depois, amassava e jogava fora, classificando aqueles escritos como pueris. Em março de 1932, propôs, alguns meses antes do alemão Werner Heisenberg (1901-1976), um modelo do núcleo atômico como constituído por prótons e nêutrons. Mas, apesar da insistência de Fermi, recusou-se a publicar qualquer artigo a respeito.

Quando desapareceu, suspeitou-se de que havia sido sequestrado pelo regime fascista de Benito Mussolini, porque sabia demais. Depois, verificou-se que planejara meticulosamente a desaparição.

Outras hipóteses foram apresentadas: fugiu porque, sabendo do potencial destrutivo da energia nuclear, não queria ser obrigado a trabalhar para os fascistas na produção da bomba atômica; fugiu porque, movido por uma intensa aspiração mística, decidiu isolar-se em um mosteiro ou transformar-se em andarilho. Há suspeitas de que tenha se refugiado na Argentina, passando a ganhar a vida como engenheiro. Mas não existe prova conclusiva sobre quaisquer dessas suposições.

Dos poucos trabalhos que publicou, o mais famoso foi Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone (Teoria simétrica do elétron e do pósitron), datado de 1937. Nele, apresentou a hipótese de uma partícula que teria a si mesma como antipartícula. A existência do neutrino acabara de ser postulada por Fermi e Wolfgang Pauli, e Majorana sugeriu que o neutrino poderia ser essa partícula.

Genericamente, essa partícula hipotética, que é sua própria antipartícula, recebe o nome de férmion de Majorana. Oito décadas depois de sua proposição, o férmion de Majorana continua a suscitar forte interesse na comunidade dos físicos. As pesquisas atuais em relação a ele enfocam não apenas o neutrino, mas também quase-partículas constituídas por excitações em supercondutores.

“No contexto da matéria condensada [em que o número de constituintes do sistema (átomos, elétrons etc.) é extremamente elevado, produzindo interações muito intensas entre eles], os férmions de Majorana poderiam se manifestar não como partículas reais, a exemplo dos prótons ou dos elétrons, mas como quase-partículas, ou partículas aparentes, que descrevem o estado do supercondutor”, disse o físico Antonio Carlos Ferreira Seridonio, professor do Departamento de Física e Química da Universidade Estadual Paulista (Unesp), no campus de Ilha Solteira (SP), à Agência FAPESP.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”. [Imagem: Dessotti et al. - 10.1063/1.4898776]

Seridonio é coautor do artigo “Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana fermion”, recentemente publicado como matéria de capa pelo periódico Journal of Applied Physics.

O artigo propõe um modelo experimental para a obtenção do férmion de Majorana. Tal modelo foi concebido por um grupo de pesquisadores e pós-graduandos da Unesp em Ilha Solteira e em Rio Claro e da Universidade Federal de Uberlândia (UFU), liderados por Seridonio, Valdeci Mariano de Souza (Unesp-Rio Claro) e Fabrício Macedo de Souza (UFU).

O primeiro autor do artigo, Fernando Augusto Dessotti, é doutorando sob a orientação de Seridonio. E o segundo, o mestrando Luciano Henrique Siliano Ricco, tem o apoio da FAPESP em pesquisa que trata do tema da matéria publicada.

Um sistema considerado forte candidato a exibir os férmions de Majorana enquanto quase-partículas é o chamado “fio de Kitaev”, proposto pelo físico russo Alexei Kitaev (nascido em 1963), atualmente professor do California Institute of Technology (Caltech), nos Estados Unidos.

“Em 2001, trabalhando na Microsoft, Kitaev dedicou-se ao objetivo de encontrar uma unidade básica para a computação quântica [o qubit ou bit quântico], que fosse capaz de resistir a perturbações externas do meio, possibilitando assim a construção do computador quântico. O modelo apresentado por ele consistiu em um fio finito supercondutor. Quando tal fio se encontra em uma condição específica, chamada de fase topológica, seria possível isolar um majorana em cada uma de suas pontas. E esse par de quase-partículas comporia o bit quântico”, relatou Seridonio.

O artigo publicado por Seridonio e seu grupo no Journal of Applied Physics descreve uma via experimental para a detecção dessas quase-partículas. “Os componentes do aparato experimental que propomos já foram produzidos experimentalmente. Falta integrá-los. Acreditamos que é uma questão de tempo para que isso ocorra. E o nosso trabalho aponta um caminho para isso”, afirmou.

O aparato utiliza um interferômetro de elétrons (empregado no estudo do comportamento ondulatório dos elétrons) semelhante ao interferômetro de Bohm-Aharonov [idealizado no final de década de 1950 pelo físico norte-americano naturalizado brasileiro David Bohm (1917–1992) e pelo físico israelense Yakir Aharonov (1932), então seu orientando].

“Nossa ideia foi acoplar esse interferômetro a um fio de Kitaev na fase topológica. O transporte de elétrons no interferômetro ficaria afetado pelos majoranas presentes nas pontas do fio de Kitaev. E, por meio da alteração produzida nos espectros das ondas eletrônicas, seria possível caracterizar os majoranas”, explicou Seridonio.

“Para o futuro, utilizaremos o interferômetro proposto para explorar uma outra classe de majoranas, os que geram uma corrente de quase-partículas nas bordas de um supercondutor”, acrescentou o pesquisador.

O artigo Probing the antisymmetric Fano interference assisted by a Majorana férmion (doi: 10.1063/1.4898776), de F.A. Dessotti e colaboradores, pode ser lido em http://scitation.aip.org/content/aip/journal/jap/116/17/10.1063/1.4898776 .

Agência FAPESP

Fonte1: http://www.planetauniversitario.com/index.php/ciencia-e-tecnologia-mainmenu-75/33689-fisicos-brasileiros-propoem-modelo-experimental-para-detectar-fermion-de-majorana

Fonte2: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-propoem-experimento-detectar-fermion-majorana&id=010175141118#.VH8BQcnN5qR

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