Maximizando a temperatura crítica supercondutora (Maximizing superconducting critical temperature)

Uma equipe internacional de pesquisadores, liderada pelo professor Kosmas Prassides da Universidade de Tohoku, investigou as propriedades eletrônicas da família de supercondutores não convencionais com base em fulerenos que têm a mais alta temperatura crítica (T_c) supercondutora conhecida entre supercondutores moleculares.

A equipe demonstrou a influência orientadora da estrutura eletrônica molecular no controle da supercondutividade e alcançou a máxima T_c, abrindo o caminho para novas rotas na busca de novos supercondutores moleculares com propriedades melhoradas.

Atualmente, metais convencionais são utilizados para a transmissão de energia elétrica, mas a energia é perdida na forma de calor devido à resistência. Em contraste, os supercondutores não têm resistência elétrica e pode transportar eletricidade sem perder energia.

Infelizmente, materiais supercondutores só funcionam a baixas temperaturas, o que provocou a busca de novos materiais que podem trabalhar à temperatura ambiente ou superior. A maioria dos supercondutores têm estruturas simples. Mas, recentemente, os supercondutores feitos de moléculas dispostas em estruturas sólidas regulares foram encontrados.

A equipe de pesquisa tem abordado pela primeira vez a relação entre o parente isolante, o estado metálico normal acima da T_c e o mecanismo de emparelhamento supercondutor de uma nova família de materiais de fulereno quimicamente pressurizadas. Esta é uma questão chave para entender todos os supercondutores não convencionais, incluindo os cupratos de alta T_c, os pnictídeos de ferro e os sistemas de férmions pesados.

Seu trabalho apresentou um novo estado da matéria - o metal Jahn-Teller - e mostrou que, quando o equilíbrio entre as características moleculares e da rede estendidas dos elétrons no nível de Fermi é otimizado, a temperatura mais alta possível para o início da supercondutividade é atingida.

Como a química sintética permite a criação de novas estruturas eletrônicas moleculares distintas daquelas nos átomos e íons que dominam os supercondutores mais conhecidos, existe agora uma forte motivação para procurar novos materiais supercondutores moleculares.

Fonte1: http://www.asianscientist.com/2015/05/in-the-lab/maximizing-superconducting-critical-temperature/

Fonte2: http://advances.sciencemag.org/content/1/3/e1500059

Obtido primeiro feixe de elétrons em teste com acelerador supercondutor (Superconducting Test Accelerator Achieves First Electron Beam)

As primeiras cavidades SRF do acelerador supercondutor no Fermilab impulsionaram seus primeiros elétrons.

Os mais novos aceleradores de partículas e os do futuro serão construídos com cavidades supercondutoras de rádio-freqüência (SRF), e instituições de todo o mundo estão trabalhando duro para desenvolver esta tecnologia. O teste do acelerador supercondutor do Fermilab foi construído para tirar proveito da pesquisa e desenvolvimento do acelerador com tecnologia SRF. Depois de sete anos de planejamento e construção por cientistas e engenheiros, o acelerador emitiu o seu primeiro feixe.

O acelerador de teste supercondutor do Fermilab é um acelerador linear com três componentes principais: uma fotoinjetor que inclui um canhão de RF acoplado a um sistema de laser ultravioleta, vários criomódulos e um feixe de luz. Feixes de elétrons são produzidos quando impulso ultravioleta gerado pelo laser atinge um cátodo localizado na placa traseira do canhão. Aceleração continua através de duas cavidades no interior dos criomódulos SRF. Depois de sair dos criomódulos, os feixes viajam abaixo de um feixe de luz, onde os pesquisadores podem avaliá-los.

Cada metro de comprimento da cavidade consiste em nove células feitas de nióbio de alta pureza. De modo a torná-las supercondutoras, as cavidades são mergulhadas em um vaso cheio de hélio líquido a temperaturas próximas do zero absoluto.

Os pulsos através destas cavidades criam um campo elétrico oscilante que percorre as células. Se as partículas carregadas estiverem em fase com as ondas oscilantes, elas são empurradas para frente e impulsionadas para baixo do acelerador.

A principal vantagem da utilização de supercondutores é a ausência de resistência elétrica que permite toda a energia que passa através das cavidades seja utilizada para acelerar as partículas, criando aceleradores mais eficientes.

“É mais retorno para os investimentos”, disse Elvin Harms, um dos líderes do esforço do comissionamento.

O teste do acelerador supercondutor produziu elétrons pela primeira vez em junho de 2013. Na execução atual, os elétrons estão sendo arremessados por um criomódulo de cavidade única, com um segundo modelo melhorado a ser instalado nos próximos meses. Os planos futuros pretendem acelerar o feixe de elétrons através de um criomódulo de oito cavidades, CM2, que foi o primeiro a alcançar as especificações propostas do Internacional Linear Collider (ILC).

O Fermilab é uma das poucas facilidades que oferece espaço para pesquisa avançada e desenvolvimento de acelerador. Esses experimentos vão ajudar a definir o cenário para futuros aceleradores supercondutores, como o Linac Coherent Light Source II, dos quais o Fermilab é um dos vários laboratórios parceiros.

“O LINAC é semelhante a outros aceleradores que existem, mas a capacidade de usar esse tipo de instalação para realizar experimentos científicos e treinar os alunos, é única”, disse Philippe Piot, físico do Fermilab e professor da Northern Illinois University, líder de um dos primeiros experimentos de teste no acelerador. Uma equipe do Fermilab foi designada e está começando a construir o anel Integrable Optics Test Accelerator, um anel de armazenamento que será anexado ao acelerador de teste supercondutor nos próximos anos.

“Isso consolida o fato de que o Fermilab tem construído a infra-estrutura para dominar a tecnologia SRF”, disse Harms. “Essa é a joia da coroa: dizer que podemos construir os componentes, colocá-los juntos, e agora podemos acelerar um feixe”.

Fonte1: http://www.labmanager.com/news/2015/04/superconducting-test-accelerator-achieves-first-electron-beam?fw1pk=2#.VSul9pNwv8J

Fonte2: http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2015/today15-03-30.html

Construído ímã gigante para ser usado em projeto de fusão nuclear (Giant magnet built in Poway to be used in fusion energy project)

Os 48 elementos do magneto ITER devem gerar um campo magnético 200.000 vezes maior que o da Terra. Fonte: ITER.ORG

A empresa General Atomics está programada para revelar um eletroímã supercondutor de 1.000 ton para ser usado em um estudo de fusão nuclear por 35 países.

        De acordo com a empresa, o dispositivo construído que é poderoso o suficiente para levantar um porta-aviões para fora da água, será apresentado em uma conferência de imprensa em Poway, Califórnia (EUA).

        O eletroímã será utilizado nos experimentos do Reator Termonuclear Experimental Internacional (International Thermonuclear Experimental Reactor - ITER), na França, em que os cientistas vão tentar criar um plasma que demonstra a viabilidade da energia de fusão nuclear.

        Energia limpa de fusão nuclear é um santo graal para os pesquisadores que procuram alternativas à energia nuclear padrão e combustíveis baseados em carbono. Os cientistas dizem que a energia de fusão nuclear não cria resíduos de produtos de longo prazo ou riscos de colapso.

        Em seu site, o projeto ITER é descrito como um “experimento científico em grande escala destinado a provar a viabilidade da fusão nuclear como fonte de energia, e para coletar os dados necessários para a concepção e posterior operação da primeira usina de energia de fusão nuclear para produção de eletricidade”.

        Os Estados Unidos, China, Índia, Japão, Coréia do Sul, Rússia e nações da União Europeia estão envolvidos no projeto ITER. A preparação começou há sete anos no sul da França, e as operações estão programadas para iniciar em 2019, de acordo com um cronograma ITER.

        A inauguração pela General Atomics vem no rastro da notícia do mês passado que os cientistas da empresa com sede em San Diego descobriram como ímãs podem controlar rajadas de calor prejudiciais em um reator de fusão.

        A pesquisa construída em estudos anteriores mostra que campos magnéticos minúsculos podem suprimir as rajadas de calor - e agora especialistas em energia sabem como funciona o processo.

Fonte: http://fox5sandiego.com/2015/04/10/magnet-built-in-poway-to-be-used-in-fusion-energy-project/

Maior acelerador de partículas do mundo voltou a funcionar

 

 



 

A próxima tarefa do LHC será tentar decifrar o mistério da matéria escura, o material invisível e indetectável de que é feito cerca de 27% do Universo.

A Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (European Organization for Nuclear Research - CERN), em Genebra, anunciou neste domingo a reabertura do LHC (Large Hadron Collider), uma enorme máquina subterrânea onde dois feixes de partículas de altas energias colidem a velocidades próximas a da luz para tentar reproduzir o que se passou a seguir à criação do Universo, há 13.800 milhões de anos. Esteve dois anos parado, para obras de manutenção e renovação.

O LHC tinha reabertura prevista para o mês passado, mas um curto-circuito num dos eletromagnetos principais, detectado em 21 de março, adiou a operação. Esta manhã, os engenheiros do acelerador enviaram dois feixes de prótons (partículas subatômicas com cargas positivas, que se encontram no núcleo atômico) nos tubos do túnel a 100 metros de profundidade, na fronteira entre a Suíça e a França, com 27 quilômetros de circunferência do LHC.

Nestes tubos, os prótons são lançados em sentidos opostos para colidirem uns contra outros, guiados pelos ímãs supercondutores, que produzem um campo magnético que conduz as partículas. Atingem altíssimas velocidades e altas energias. Nestas colisões são criadas novas partículas, que são detectadas por sensores e analisadas pelos cientistas.

No primeiro período de funcionamento, entre 2010 e 2013, foi detectado o bóson de Higgs - a tão procurada partícula que permite explicar porque todas as outras adquirem massa. Detectá-la era o principal objetivo da construção do LHC. Era a última peça que faltava para confirmar o Modelo Padrão, a teoria que descreve as partículas fundamentais e as forças que exercem entre elas. A descoberta foi anunciada em 4 de Julho de 2012.

Um dos esforços nesta próxima fase é tentar investigar a natureza da matéria escura e da energia escura, que juntas constituem 95% do Universo (os 5% restantes correspondem à matéria que conhecemos, os átomos que formam as estrelas, os planetas e as pessoas). No entanto, a matéria e a energia escuras só são detectadas pela influência que têm na matéria normal.

Após as obras de renovação, o acelerador de partículas do CERN funcionará com uma energia muito maior, produzindo colisões de 13 TeV (teraelétrons-volt), em vez dos 8 TeV que alcançou na primeira fase. Este aumento permitirá aos cientistas ampliar o campo de investigação para procurar novas partículas subatômicas e validar ou não certas teorias, como as relativas à matéria e energia escuras, explica o CERN, em comunicado.

 

Fonte: http://www.publico.pt/ciencia/noticia/maior-acelerador-de-particulas-do-mundo-retoma-actividade-1691407

Cupratos ganham suas listras (Cuprates earn their stripes)

Esboço dos padrões estáticos para (a) ordem de carga 1D (listrado) e b) 2D (xadrez), dentro do plano 2D Cu-O. Fonte:  http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=39490.php

A comunidade de pesquisa canadense continua a liderar este campo científico com resultados inovadores e de grandes questões teóricas. O mais recente avanço responde a uma pergunta fundamental sobre a estrutura eletrônica microscópica dos cupratos supercondutores. Este resultado é o produto de uma estreita colaboração de longa data entre a University of British Columbia Quantum Matter Institute (UBC) e a Canadian Light Source (CLS).

Nos cupratos supercondutores, a onda de densidade de carga, na qual os elétrons assumem um padrão estático, diferente do padrão que a estrutura cristalina do material define, interage com a supercondutividade. Você também pode pensar os elétrons supercondutores como carros em uma estrada, todos se movendo na mesma velocidade e direção. Mas o estado de onda de densidade de carga age como um engarrafamento modelado: nenhum movimento, em qualquer lugar. 

Entender o que causa esse padrão é considerado um passo fundamental para compreender a supercondutividade, mas até mesmo determinar a natureza do padrão tem sido difícil. Os principais modelos teóricos preveem uma estrutura de linha paralela ou um padrão xadrez. Infelizmente, mesmo com técnicas avançadas, revelou-se impossível ver a diferença entre os dois modelos. Isto é, até os mais recentes resultados do Comin na Science, os quais mostram que o cuprato supercondutor em questão tem um padrão tipo listra ao invés de um tabuleiro de xadrez.

A equipe UBC-CLS utilizou uma abordagem experimental não convencional para reconstruir um modelo bidimensional do padrão estático de elétrons de 1D – bem como as reconstruções tomográficas utilizadas para fins médicos.

Esses resultados oferecem novos insights fundamentais que ajudam a aprimorar a busca da supercondutividade de temperatura ambiente. No entanto, as questões mais desafiadoras permanecem: Qual é a força motriz por trás da tendência dos elétrons se moverem juntos de forma coerente no estado supercondutor, e como pode a temperatura de transição ser melhorada? Apesar de quase 30 anos de história, o campo da supercondutividade de alta temperatura está mais vivo do que nunca.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=39490.php

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/347/6228/1335

Fazendo supercondutores mais resistentes (Making Superconductors Sturdier)

 

Joerg Harms/Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter

 

A resistência nula dos supercondutores torna estes materiais ideais para circuitos elétricos. No entanto, continuam a serem inviáveis, devido às baixas temperaturas em que operam. Isso acontece porque o estado supercondutor é altamente suscetível ao ruído térmico, o que perturba a ordem eletrônica de longo alcance necessária para manter a supercondutividade, induzindo uma transição para um estado não supercondutor na temperatura crítica. Agora Samuel Denny e colegas da Universidade de Oxford, propõem que com pulsos de radiação terahertz, os supercondutores poderiam permitir que sejam transitoriamente resfriados, reduzindo o impacto do ruído térmico.

       Os autores consideram o cuprato um material supercondutor modelo formado por camadas duplas empilhadas, onde os fluxos de corrente são perpendiculares às camadas. O material é então submetido a uma onda electromagnética na faixa do terahertz que excita modos de vibração do material (fônons). Estes, por sua vez, transferem sua excitação para os plásmons (excitações coletivas de elétrons), convertendo sua frequência. Ajustando a frequência (terahertz) de condução, os pesquisadores calculam que este sistema pode funcionar como um refrigerador, bombeando ativamente o calor para fora dos plásmons de baixa frequência. Isso ajuda a proteger de ruído térmico a ordem de longo alcance dos materiais e pode fazer a supercondutividade mais “robusta”. Por exemplo, mais corrente pode ser transportada através do material sem quebrar o estado supercondutor.

       O método proposto foi estudado para supercondutores já resfriados abaixo de suas temperaturas de transição e apenas se mantém eficaz por alguns picosegundos após a terahertz de condução ter sido desligada. Mas os autores sugerem que estratégias semelhantes, com base em técnicas de arrefecimento a laser, um dia pode ajudar a aumentar a temperatura crítica de um determinado material.

 

 

Fonte1: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.114.137001

 

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.137001