Supercondutores ultrafinos dão um passo (Ultrathin Superconductors Take a Step Up)

S. Yoshizawa et al., Phys. Rev. Lett. (2014)

Filmes de metal de apenas um átomo de espessura ou dois podem se tornar supercondutores em temperaturas próximas do zero absoluto. No entanto, nestes materiais bidimensionais, pequenas imperfeições, como alterações na elevação de um átomo pode bloquear o fluxo das supercorrentes. Um novo estudo de vórtices em filmes de metal supercondutores fornece a primeira evidência direta de que defeitos atômicos se comportam como junções Josephson - estruturas feitas de dois supercondutores separados por uma barreira isolante. Os resultados implicam que os defeitos atômicos permitem o fluxo de supercorrentes a uma velocidade limitada, o que pode torná-los úteis como elementos funcionais em futuros dispositivos supercondutores 2D.

       Em 2010, físicos descobriram que filmes metálicos adsorvidos na superfície de silício poderiam se comportar como supercondutores. A descoberta veio como uma surpresa, uma vez que se esperava que as flutuações quânticas interrompessem a supercondutividade em estruturas 2D. Uma grande quantidade de pesquisa agora é dedicada a testar quão grande é a robustez desta supercondutividade. Imperfeições atômicas e outros defeitos de superfície normalmente têm pouco efeito sobre supercondutores volumétricos (3D), mas claramente influenciam o comportamento de materiais ultrafinos.

       Takashi Uchihashi e seus colegas realizaram medidas usando a microscopia de tunelamento por varredura em filmes de índio depositados em superfícies de silício. Especificamente, a equipe estudou a formação de vórtices viajando em torno de um circuito fechado que aparece em certos supercondutores quando um campo magnético externo é aplicado. Os pesquisadores observaram que a maioria dos vórtices era circular com um núcleo interior não supercondutor. No entanto, os vórtices localizados ao longo dos defeitos atômicos estavam em forma elíptica, e seus núcleos eram supercondutores. As simulações numéricas mostraram que esse comportamento era consistente com as imperfeições atômicas fornecendo um acoplamento Josephson entre diferentes patamares do filme.

Fonte1: http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.113.247004

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.113.247004

Robô blindado promete melhorar biópsias de câncer

Redação do Site Inovação Tecnológica - 26/12/2014

O robô é pequeno o suficiente para caber no duto apertado da máquina de MRI e ainda deixar espaço para o paciente e para as mãos do médico. [Imagem: Worcester Polytechnic Institute]

Biópsias cegas

Uma equipe de engenheiros e médicos dos Estados Unidos começou a testar um novo robô-cirurgião capaz de operar dentro de um equipamento de ressonância magnética.

        O objetivo do robô é realizar biópsias de câncer da próstata de forma mais rápida, mais precisa e menos desconfortável para o paciente.

        Se passar pelos testes, futuramente o robô também poderá ser usado na aplicação de terapias contra o câncer.

        “O câncer da próstata é a última forma de câncer ainda diagnosticada com biópsias cegas, por isso estamos trabalhando para mudar isso com a tecnologia guiada por imagem,” disse a Dra. Clare Tempany, do Instituto Politécnico Worcester. “O principal objetivo do nosso grupo é desenvolver tecnologias que permitam ampliar as capacidades dos médicos para tratar seus pacientes.”

        Atualmente, a maioria das biópsias da próstata é feita usando imageamento por ultrassom. Embora uma ecografia consiga localizar a próstata, essa técnica de imagem não tem precisão suficiente para determinar onde está o potencial tumor - é por isso que os médicos chamam o procedimento de biópsia cega, com a agulha sendo usada para perfurar vários pontos na expectativa de capturar o tecido doente para posterior análise.

        Já a ressonância magnética produz imagens anatômicas e de caracterização de tecido detalhadas, podendo potencialmente identificar as lesões cancerosas.

Robô blindado

        O desafio foi desenvolver um robô que funcionasse bem dentro de um aparelho de ressonância magnética, com seu fortíssimo ímã supercondutor. Para isso, todos os sensores e atuadores precisaram ser construídos com materiais não-ferrosos - o robô é quase todo de plástico e usa motores piezoelétricos cerâmicos.

        O contrário também é verdadeiro, e o robô não pode interferir com o exame e estragar as imagens de ressonância magnética. Isto foi feito com sucessivas camadas de proteção de toda a parte eletroeletrônica do robô, de forma a reduzir ao máximo a indução de sinais eletromagnéticos.

        E o robô também precisava ser pequeno o suficiente para caber no duto apertado da máquina de MRI e ainda deixar espaço para o paciente e para as mãos do médico.

        O primeiro teste em humanos do sistema robótico, programado para 2015, será resultado de mais de seis anos de pesquisa e desenvolvimento, feitos em parceria com engenheiros e médicos da Universidade Johns Hopkins e do Hospital Brigham and Women.

Bibliografia:

Piezoelectrically Actuated Robotic System for MRI-Guided Prostate Percutaneous Therapy. H. Su, W. Shang, G. A. Cole, G. Li, K. Harrington, A. Camilo, J. Tokuda, Clare M. Tempany, N. Hata, G. S. Fischer. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, Vol.: PP Issue: 99 - Pages 1-13.

DOI: 10.1109/TMECH.2014.2359413

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=robo-blindado-biopsias-cancer-prostata&id=010180141226#.VJ_6Mf8ACzB

O spin do elétron pode ser a chave para a supercondutividade de alta temperatura (Electron spin could be the key to high-temperature superconductivity)

Marco Grioni

Cientistas deram um passo significativo na compreensão da supercondutividade, estudando os eventos quânticos estranhos em um material supercondutor único.

        Cupratos são materiais com uma grande promessa de alcançar a supercondutividade a temperaturas mais elevadas (-120 ° C). Isto poderia significar eletricidade de baixo custo sem perda de energia. Intensa pesquisa centrou-se na compreensão da física dos cupratos na esperança de que podemos desenvolver supercondutores a temperatura ambiente. Cientistas usaram uma técnica de ponta para descobrir a maneira como os cupratos tornam-se supercondutores. O trabalho foi publicado na Nature Communications.

        Supercondutores convencionais são materiais que conduzem eletricidade sem resistência em temperaturas que se aproximam do zero absoluto (-273,15 °C ou 0 K). Sob estas condições, os elétrons do material juntam-se e formam casais de elétrons que são chamados de “pares de Cooper”, e desta forma fluem sem resistência. Geralmente, os pares de Cooper se formam a temperaturas muito baixas, e apenas quando os átomos vibram e criam uma força de atração entre os elétrons.

        No entanto, existe uma classe de supercondutores onde pares de Cooper não se formam por causa de vibrações dos átomos. Estes supercondutores são materiais à base de cobre chamados “cupratos”, e em temperaturas normais, elas são, na verdade, isolantes elétricos e ímãs.

        A popularidade dos cupratos vem do fato de serem supercondutores a temperaturas muito mais elevadas do que os outros materiais: -123,15 °C (150 K). Isso faz dos cupratos excelentes candidatos para a supercondutividade cotidiana. Contudo, estudos anteriores sugeriram que cupratos não se tornam supercondutores como outros materiais, o que coloca a questão: como a supercondutividade surge em cupratos?

        Uma equipe de pesquisadores liderada por Marco Grioni usou uma técnica espectroscópica de ponta para explorar a supercondutividade dos cupratos. Os cientistas usaram uma técnica chamada de Resonant Inelastic X-ray Scattering (espalhamento ressonante inelástico de raios-X, tradução livre), usada para investigar a estrutura eletrônica de materiais. Este método de alta resolução foi capaz de monitorar o que acontece com os elétrons de uma amostra de cuprato quando ele se torna supercondutor.

        “Normalmente, supercondutores odeiam magnetismo”, diz Grioni. “Ou você tem um bom ímã ou um bom supercondutor, mas não ambos. Cupratos são muito diferentes e realmente surpreendeu todos, porque são normalmente isolantes e ímãs, mas tornam-se supercondutores quando alguns elétrons extras são adicionados por ajustes suaves de sua composição química”.

        O ingrediente chave do magnetismo é uma propriedade dos elétrons chamada spin, que pode ser considerado como o momento de um pião. Spins podem interagir uns com os outros e criar ondas que viajam através do material. Quando os materiais magnéticos são perturbados, ondas de spin são criadas e espalhados ao longo do seu volume. Essas ondas de spin são impressões digitais reveladoras da interação e estrutura magnética.

        Mesmo quando eles se tornam supercondutores, os cupratos não perdem suas propriedades magnéticas. “Algo do ímã permanece no supercondutor, e pode desempenhar um papel importante no aparecimento de supercondutividade” diz Grioni. “Os novos resultados fornecem uma ideia melhor de como os spins interagem nestes fascinantes materiais”.

        Os resultados sugerem uma nova compreensão da supercondutividade em cupratos e, possivelmente, em outros supercondutores de alta temperatura. Ao revelar o papel das interações de spin, pode abrir o caminho para a interposição de supercondutores de alta temperatura para o mundo real.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=38507.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141218/ncomms6760/full/ncomms6760.html

CERN: o maior acelerador de partículas do mundo terá quase o dobro da energia em 2015

Fotografia © AFP PHOTO / FABRICE COFFRINI

        O Grande Colisor de Hádrons (LHC) teve uma paragem técnica há dois anos e será reativado em março.

        O maior acelerador de partículas do mundo, parado há dois anos, vai voltar a funcionar em 2015, com quase o dobro da energia da primeira fase de exploração, anunciou hoje a Organização Europeia para a Pesquisa Nuclear/CERN.

        O LHC teve uma paragem técnica há dois anos, e a primeira etapa para repor a sua operacionalidade foi realizada, com sucesso, na terça-feira, informou em comunicado o CERN, do qual Portugal é um dos países-membros.

        O segundo período de exploração, com início previsto para março, daquele que é o acelerador de prótons mais potente, terá uma duração de três anos, adianta a nota, disponível no portal da organização.

        A paragem técnica visou preparar o conjunto da máquina supercondutora, de 27 quilômetros de comprimento, localizada no subsolo, para funcionar com energia “cerca de duas vezes superior à do primeiro período de exploração”, que confirmou a existência do Bóson de Higgs.

        O acelerador foi arrefecido e atingiu praticamente a sua temperatura de exploração nominal, isto é, 1,9 graus acima do zero absoluto.

        “É praticamente uma máquina nova”, declarou o diretor de aceleradores e tecnologia do CERN, Frédérick Bordry, citado no comunicado.

        Para o diretor-geral do CERN, Rolf Heuer, o LHC, com “esta energia inédita”, vai “abrir novos horizontes para a Física e futuras descobertas”.

Fonte: http://www.dn.pt/inicio/ciencia/interior.aspx?content_id=4293313

Universalidade da ordem de carga em cupratos (universality of charge order in cuprate superconductors)

Estas são as estruturas cristalinas do HgBa₂CuO₄₊ e do YBa₂Cu₃O₆₊

Ordem de carga foi estabelecida em outra classe de cuprato, destacando a importância do fenômeno como uma propriedade geral desses materiais de alta T_C

A descoberta em 1986 da supercondutividade em cupratos, uma classe de materiais cerâmicos, impulsionou um esforço impressionante de pesquisa em todo o mundo. Estes materiais ainda detêm o recorde de temperatura crítica e por isso são chamados supercondutores de alta-T_C, apesar do fato de alta-T_C significar apenas -140 °C. Embora esse valor pareça bastante baixo, é, de fato, muito alto em comparação com os supercondutores clássicos, onde é necessário resfriar o material perto da temperatura do zero absoluto, -274 °C, para o surgimento da supercondutividade. O salto emocionante da T_C com a descoberta dos high-T_C ainda nutre esperança de que algum dia, a supercondutividade seja possível em temperatura ambiente.

O fenômeno da supercondutividade é bem compreendido para os supercondutores clássicos. Quando não estão no estado supercondutor, supercondutores clássicos se comportam como metais, e a supercondutividade emerge desse estado metálico pelo emparelhamento de elétrons. O emparelhamento de portadores de carga é também o que está por trás da supercondutividade nos cupratos. No entanto, estes supercondutores são materiais cerâmicos, onde até mesmo o estado não-supercondutor (normal) é pouco compreendido, muito menos o mecanismo por trás do emparelhamento dos portadores de carga. É por isso que novos insights sobre as propriedades dos cupratos ainda mantém os cientistas animados - mesmo quase 30 anos após a descoberta da supercondutividade de alta T_C.

Os cupratos vieram como um zoológico de materiais com abreviações do tipo LBCO, YBCO, LSCO, BSCO, e muitos mais, com fórmulas químicas de La_2-xBa_xCuO₄, YBa₂Cu₃O₆, La_2-xSr_xCuO₄, Bi₂Sr_2-xLa_xCuO₆. Todos estes materiais têm uma característica comum: os átomos de cobre e oxigênio são dispostos em planos, formando objetos quase bidimensionais. Introduzir portadores de carga nos planos de oxigênio e cobre não resulta em um comportamento metálico simples. Em vez disso, é observada complexidade de fases incomuns em torno de supercondutividade, e como o estado supercondutor emerge a partir desses estados exóticos não tem explicação até agora.

      Um dos fenômenos observados em cupratos de alta T_C é a chamada ordem de carga. Aqui, os portadores de carga que são introduzidos nos materiais cerâmicos tendem a formar um padrão regular de listras nos planos de cobre e oxigênio. Sendo colocado em um arranjo regular, torna o portador de carga menos móvel e impede a formação do estado supercondutor: ordem de carga é antagônica à supercondutividade. Naturalmente, isto é da maior importância para explorar os limites da supercondutividade e compreender o fenômeno em si. Ordem de carga foi observada em uma das classes de cupratos já em 1995. Ocorreu algum tempo para ser revelado que muitas outras classes de cupratos exibem o mesmo comportamento, e só nos últimos anos, evidências de um fenômeno ubíquo foram acumuladas, com a observação importante de ordem de carga no YBCO em 2012. Todas estas experiências forneceram evidências de que esse fenômeno é uma propriedade comum dos portadores de carga nos planos de oxigênio e cobre dos cupratos.

Iniciado por pesquisadores de Minnesota, uma equipe internacional de cientistas identificou agora ordem de carga no HgBa₂CuO₄, enfatizando este comportamento universal: HgBa₂CuO₄ é um cuprato com uma estrutura cristalina bastante simples que superconduz a temperaturas tão elevadas quanto -175 °C. Outro resultado importante do estudo é a descoberta de que a ordem de carga está intimamente relacionada com outra propriedade do material. Quando um campo magnético muito alto é aplicado, a supercondutividade é destruída, e a resistência elétrica sobe e desce com a mudança de campo magnético, conhecido como oscilações quânticas. Encontrar uma conexão universal entre o período destas oscilações quânticas e o período espacial da ordem de carga é uma das realizações do estudo. A associação dessas observações aparentemente distintas em um material tão complexo é de extrema importância, uma vez que contribui para dizer qual efeito é importante e qual é espúrio.

Uma parte importante desta pesquisa foi realizada com o difratômetro XUV do HZB, empregando o método particularmente sensível de ressonância de difração de raios-X macio. Este método já foi utilizado com sucesso para detectar fracas ordem de carga em uma série de materiais. Os resultados agora foram publicados na revista Nature Communications. “Depois de décadas de pesquisa, os estados incomuns da matéria nos cupratos e sua relação com o fenômeno da supercondutividade de alta T_C ainda estão confundindo os cientistas”, diz o Dr. Eugen Weschke do Department Quantum Phenomena in Novel Materials, “a observação de ordem de carga neste modelo de sistema limpo acrescenta uma peça importante para a sistemática dos cupratos, e estamos felizes de ter contribuído para esses estudos com uma série de experimentos aqui no HZB”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2014-12/hbfm-uoc122214.php

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2014/141219/ncomms6875/full/ncomms6875.html

Supercondutividade bate recorde sob alta pressão (superconductivity record breaks under pressure)

Os cupratos até agora detém o recorde de temperatura mais elevada, mas uma nova classe de materiais pode mudar isso. (Phil Degginger / Alamy)

Por quase 30 anos, a busca de um supercondutor à temperatura ambiente tem se concentrado em materiais exóticos conhecidos como cupratos, que podem transportar correntes sem perder energia em temperaturas de até 164 K, ou -109 °C. Mas os cientistas dizem ter superado esse recorde usando uma molécula simples, o sulfeto de hidrogênio (H₂S). Quando uma pequena amostra do material é submetida a pressões próximas às do núcleo da Terra, os pesquisadores dizem que o material superconduz a 190 K (-83 °C).

        “Se o resultado for reproduzido, será muito chocante”, diz Robert Cava, químico na Universidade de Princeton. “Seria uma descoberta histórica”.

        De acordo com a teoria BCS (John Bardeen, Leon Cooper e Robert Schrieffer), vibrações nos átomos de um cristal podem levar elétrons a formar “pares de Cooper”, que podem fluir através do cristal sem resistência. A teoria BCS foi desenvolvida na década de 1950, mas a maioria dos físicos acredita que ela não pode explicar a supercondutividade em cupratos, que foi descoberto em 1986, ou em ferro-pnictídeos, descobertos em 2006.

        Os cientistas esperam que a teoria BCS possa guiar a busca por outros tipos de supercondutores de alta temperatura, particularmente em materiais que contenham elementos leves como o hidrogênio. Estes geram vibrações mais rápidas que criam laços mais fortes entre os pares de elétrons.

        A recente pesquisa baseia-se na obra de Neil Ashcroft (físico da Universidade de Cornell), que estudou o potencial supercondutor de compostos de hidrogênio. Mais especificamente, ele investigou uma recente previsão teórica de físicos chineses que o sulfeto de hidrogênio deve superconduzir acima de 80 K quando exposto a uma pressão de 1,6 milhões atm. Essa alta pressão comprime os elétrons dos pares de Cooper tornando menos provável de serem destruídos por flutuações térmicas.

        Mikhail Eremets e colegas do Instituto Max Planck colocaram uma amostra de sulfeto de hidrogênio, cerca de um centésimo de milímetro de diâmetro, entre as pontas de duas bigornas de diamante e eletrodos. Em seguida, mediram a forma como a resistência elétrica do material foi alterada à medida que o sistema resfriava até próximo do zero absoluto. Eles descobriram que, sob uma pressão de 1,8 milhões de atm, a resistência cai repentinamente em torno de 190 K, o que sugere uma transição supercondutora.

Os pesquisadores atribuem essa temperatura “crítica” maior do que o esperado à repartição de ácido sulfídrico em moléculas que contêm um número relativamente maior de átomos de hidrogênio. Estas moléculas seriam supercondutoras nesta temperatura.

        Os pesquisadores relatam várias evidências para apoiar a sua reivindicação de supercondutividade de alta temperatura, incluindo a de ter visto uma temperatura de transição muito mais baixa (90 K), quando usaram deutério (mais pesado) no lugar do hidrogênio. Os átomos mais pesados, segundo eles, impediria a supercondutividade, diminuindo as vibrações de cristal.

Caso seja confirmado por outros grupos, este resultado representaria um enorme aumento na temperatura crítica obtida por meio das interações entre os elétrons e as vibrações de cristal (supercondutor convencional tipo BCS). O recorde atual é de 39 K para o MgB₂.

        Alexander Gurevich, teórico da Universidade Old Dominion, concorda que os resultados representam “um avanço significativo na investigação da supercondutividade”, mas para o momento permanece cauteloso. Ele diz que os autores ainda têm de demonstrar uma das marcas da supercondutividade, o efeito Meissner, em que um material 'expulsa' linhas do campo magnético quando esfria até o estado supercondutor. “Espero que este trabalho estimule outros grupos para reproduzir o experimento prontamente”, acrescenta.

        Quanto à utilidade prática do trabalho, Eremets e seus colegas dizem que agora será possível encontrar temperaturas críticas elevadas em outros materiais contendo hidrogênio, como fulerenos à base de carbono ou hidrocarbonetos aromáticos. Estes, dizem, podem ser transformados em supercondutores, misturando pequenas frações de outros elementos, no lugar da aplicação de alta pressão. Cava, no entanto, adverte que ainda é muito cedo para considerar possíveis aplicações. “Se uma coisa dessas poderia ocorrer em pressão ambiente para outros hidretos é uma pergunta que é melhor não especular a respeito”, diz ele.

Fonte1: http://www.nature.com/news/superconductivity-record-breaks-under-pressure-1.16552

Fonte2: http://arxiv.org/abs/1412.0460