Explicado o segredo do supercondutor H2S (Secret of record-breaking superconductor explained)

A superfície de Fermi no sulfeto de hidrogênio sob 200 GPa de pressão. (Cortesia: Ion Errea, Matteo Calandra et al.)

A supercondutividade convencional pode ocorrer em temperaturas muito mais altas do que o esperado, de acordo com cálculos feitos por uma equipe internacional de físicos liderada por Matteo Calandra do Instituto IMPMC em Paris. Os pesquisadores desenvolveram um modelo teórico para explicar o recorde da supercondutividade relatada no ano passado para o sulfeto de hidrogênio (H₂S), o qual a equipe atribui a interações relativamente simples semelhantes aquelas que ocorrem em supercondutores convencionais de baixa temperatura.

        Supercondutores de baixa temperatura são bem descritos pela teoria BCS, em que interações com fônons levam ao emparelhamento de elétrons em pares de Cooper que viajam através do material sem resistência. A maior temperatura crítica (T_C) para esta classe de supercondutores é apenas 39 K (para o MgB₂).

        Apesar da grande quantidade de pesquisa feita sobre supercondutores de alta temperatura, grande parte da física subjacente à sua supercondutividade permanece desconhecida. Esse mistério foi aprofundado no final do ano passado quando Mikhail Eremets e colaboradores descobriram que quando submetido a uma pressão extremamente alta (200 GPa), o H₂S tem uma T_C de 190 K (Veja aqui). Enquanto a T_C de supercondutores de alta temperatura pode ser aumentada pela aplicação de pressão, o H₂S parece destinado a tornar-se o novo recordista se a medida for confirmada.

        A coisa estranha sobre o H₂S é que - ao contrário de outros supercondutores de alta temperatura – ele não existe em um estado magnético, e, portanto, se assemelha mais a um supercondutor convencional. Essa observação levou Calandra e colegas a usar a teoria BCS como ponto de partida para os seus cálculos.

        As interações entre os elétrons e as vibrações dos átomos de hidrogênio são a chave para a compreensão da supercondutividade no H₂S. O hidrogênio tem uma massa muito pequena e vibra em frequências relativamente elevadas. Estes modos de alta frequência interagem fortemente com elétrons e deve resultar em um supercondutor com uma T_C muito alta. Quando Calandra e colegas utilizaram a teoria BCS para calcular a T_C do H₂S em alta pressão, eles obtiveram um valor de 250 K - muito maior do que o observado 190 K.

        A equipe acredita que a T_C real é um pouco menor, porque a teoria BCS assume que os átomos vibram no material como osciladores harmônicos simples. No entanto, átomos leves como hidrogênio sofrem oscilações anarmônicas mais complicadas, e isso pode enfraquecer significativamente as interações que criam os pares de Cooper. Depois de levar em conta os efeitos anarmônicos em seus cálculos, os pesquisadores calcularam uma T_C muito mais realista de 194 K.

Aumentando a pressão

        Os cálculos também sugerem que a interação entre os efeitos anarmônicos e outras propriedades do material resulta numa T_C constante entre 200-250 GPa. Observar esse efeito no laboratório seria um bom teste para os cálculos, Calandra diz não ter conhecimento de quaisquer medições acima de 200 GPa. Ele ressalta que a experiência de 200 GPa foi extremamente difícil de fazer, e que Eremets e colegas são provavelmente os únicos pesquisadores capazes de estudar o H₂S a pressões mais elevadas.

        “A descoberta de Eremets e nosso trabalho teórico fundamentam o caminho para a busca da supercondutividade de alta T_C em hidretos e materiais à base de hidrogênio em geral”, diz Calandra. “Nesta classe de materiais deve ser possível encontrar supercondutores com uma T_C da mesma ordem (ou superior) do que o H₂S a alta pressão”, acrescenta.

        Elisabeth Nicol da Universidade de Guelph no Canadá está entusiasmada com os resultados. “O surpreendente é que podemos ter um supercondutor de elétron-fônon que opera a 190 K”, diz ela. Nicol, que não estava envolvido nos cálculos, acrescenta que “Embora tecnicamente a teoria da supercondutividade em si não estabeleça um limite na T_C, o consenso foi que os supercondutores de elétron-fônon têm baixa T_C. Claramente, estamos aprendendo que ainda há possibilidades para a supercondutividade convencional”.

        O trabalho está publicado na Physical Review Letters.

Fonte1: http://physicsworld.com/cws/article/news/2015/apr/24/secret-of-record-breaking-superconductor-explained

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.114.157004

IBM apresenta um chip de computação quântica (IBM Shows Off a Quantum Computing Chip)

Quando resfriado a uma fração acima do zero absoluto, os quatro elementos escuros no centro do circuito no meio desta imagem podem representar dados digitais usando efeitos da mecânica quântica.

Um novo chip supercondutor desenvolvido pela IBM demonstra um importante passo necessário para o desenvolvimento dos computadores quânticos. Se desenvolvido com sucesso, os computadores quânticos poderiam efetivamente tomar atalhos através de muitos cálculos que são difíceis para os computadores de hoje.

O novo chip da IBM é o primeiro a integrar os dispositivos básicos necessários para construir um computador quântico, conhecido como qubits, em uma rede 2D. Pesquisadores acham que uma das melhores rotas para fazer um computador quântico prático implicaria a criação de redes de centenas ou milhares de qubits que trabalham em conjunto.

Os circuitos do chip da IBM são feitos a partir de metais que se tornam supercondutor quando resfriados a temperaturas extremamente baixas. O chip da IBM contém apenas a rede mais simples possível, quatro qubits em uma matriz dois-por-dois. Anteriormente os pesquisadores tinham mostrado que eles só poderiam operar qubits juntos quando dispostos em uma linha. Ao contrário de bits binários convencionais, um qubit pode inserir um ‘estado de superposição’ onde é efetivamente 0 e 1, ao mesmo tempo. Quando qubits nesse estado trabalham juntos, eles podem cortar através de cálculos complexos de maneiras impossíveis para hardwares convencionais. Google, NASA, Microsoft, IBM, e o governo dos EUA estão trabalhando na tecnologia.

Existem maneiras diferentes de fazer qubits, os circuitos supercondutores usados ​​pela IBM e Google são um dos mais promissores. No entanto, todos os qubits sofrem do fato de que os efeitos quânticos que utilizam para representar os dados são muito susceptíveis a interferência. Muito trabalho atual está focada em mostrar que pequenos grupos de qubits podem detectar quando erros ocorrem para que eles possam ser contornados ou corrigidos.

No início deste ano, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e do Google anunciaram a construção de um chip com nove qubits supercondutores dispostos em uma linha (clique aqui). Alguns dos qubits do sistema podem detectar quando companheiros no dispositivo sofrem um tipo de erro chamado bit-flip, onde um qubit representando um 0 muda para 1 ou vice-versa.

No entanto, qubits também sofrem de um segundo tipo de erro conhecido como flip de fase, em que o estado de superposição de um qubit fica distorcido. Qubits só podem detectar outros qubits se eles estão trabalhando em conjunto numa matriz 2D, diz Jay Gambetta, líder do grupo de pesquisa de computação quântica da IBM.

Um artigo publicado detalha como o chip da IBM com quatro qubits dispostos em um quadrado pode detectar ambos os bits-flips e os de fase. Um par de qubits é checado através do outro par. Um par faz a verificação dos bits-flips e outro verifica os flips de fase. “Este é um trampolim para demonstrar um quadrado maior”, diz Gambetta. “Outros desafios emergem quando o quadrado fica maior, mas parece muito otimista para as próximas etapas.”

Gambetta diz que sua equipe teve que projetar cuidadosamente o seu novo chip para superar problemas de interferências causados por colocar quatro qubits tão próximos. Eles já estão fazendo experiências com um chip que tem uma grade de oito qubits em um retângulo de dois-por-quatro. Raymond Laflamme, diretor do Instituto para a Computação Quântica da Universidade de Waterloo, no Canadá, descreve os resultados da IBM como “um marco importante [em direção aos] processadores quânticos de confiança”. Combater os erros é um dos problemas mais importantes do campo. “A computação quântica promete ter muitas aplicações alucinantes, mas é prejudicada pela fragilidade da informação quântica”.

Resolver esse problema exige ir um passo além dos resultados mais recentes da IBM, e corrigir os erros qubit bem como detectá-los. Isso só pode ser demonstrado em uma grade maior de qubits, diz Laflamme. No entanto, nem todos os pesquisadores de computação quântica pensam em qubits como aqueles que estão sendo construídos na IBM, Google e em outros lugares. Pesquisadores da Microsoft e Bell Labs estão trabalhando para criar um design completamente diferente do qubit que deve ser menos propenso a erros.

Fonte: http://www.technologyreview.com/news/537041/ibm-shows-off-a-quantum-computing-chip/

Novo ondulador supercondutor fornece primeira luz de raio-X (Novel superconducting undulator provides first x-ray light at ANKA)

SCU15 é um ondulador supercondutor único instalado no anel de armazenamento ANKA para produção de raios-X de alta luminosidade.

       As facilidades da radiação síncrotron fornecem insights sobre o mundo de estruturas muito pequenas, como micróbios, vírus ou nanomateriais e contam com a tecnologia dedicada ao ímã, que é otimizada para produzir feixes das mais altas intensidades. As instalações de radiação síncrotron no ANKA ganhou um salto tecnológico: eles desenvolveram com sucesso pela primeira vez um novo ondulador supercondutor que fornece campos magnéticos de picos mais elevados para a produção de raios-X.

       Radiação síncrotron é uma das fontes mais intensas de raios-X e radiação infravermelha, e é uma ferramenta poderosa para a investigação na indústria e na academia. Ela fornece uma visão única no mundo da biologia, medicina, química e física, e equipa os investigadores com meios não-destrutivos de análise de materiais ou componentes de dispositivos e máquinas futuras.

O novo ondulador supercondutor de alta performance, com o nome “SCU15”, é um longo dispositivo de 1,5 metros que força os elétrons em um caminho ondulante, usando um campo magnético periódico com 100 períodos de 15 milímetros cada. “A instalação e operação confiável do SCU15 é um marco importante num programa de investigação e desenvolvimento a longo prazo dedicado a dispositivos de inserção de próxima geração, e é um avanço significativo na inserção de supercondutores em dispositivos”, afirma a Drª. Sara Casalbuoni, chefe do grupo de pesquisa. Cristian Boffo, diretor do departamento de desenvolvimento em tecnologias de ímã no BNG, acrescenta: “abordagens tecnológicas inovadoras implementadas no projeto do SCU15 levaram a uma conclusão bem sucedida do primeiro marco na nossa colaboração KIT-BNG, tornando o SCU15 um dispositivo único em todo o mundo”.

Um ondulador é uma matriz de ímãs bipolares alternadas com sentido do campo magnético, o que obriga o feixe de elétrons de alta energia para um caminho ‘ondulante’, que conduz à emissão de radiação eletromagnética intensa e altamente colimada. Em contraste com os onduladores comuns que utilizam ímãs permanentes, o SCU15 utiliza eletroímãs supercondutores. As altas correntes permitem a criação de altos campos magnéticos no interior do dispositivo. Graças a componentes de alta precisão, o SCU15 cumpre exigências rigorosas sobre a precisão do campo magnético. Isso faz do SCU15 o primeiro dispositivo supercondutor de corpo inteiro para atingir campos magnéticos de pico mais elevados.

O desenvolvimento de onduladores supercondutores começou no KIK no início de 1990 e o KIK detém várias patentes aplicáveis ​​à tecnologia de onduladores supercondutores. Já em 2005, um primeiro ondulador supercondutor com 14 mm de comprimento de período e 100 períodos foi instalado e operado no anel de armazenamento do ANKA. Lições valiosas foram aprendidas a partir deste dispositivo. Em particular, observou-se que a carga de calor gerada pelo feixe de elétrons resultou num pico de campo magnético limitado, menor do que o alcançável por onduladores de ímãns permanentes. Graças às lições aprendidas no ANKA e à vasta experiência do BNG em projetar e fabricar sistemas de condução resfriados, um novo projeto foi implementado no SCU15 para superar essa barreira.

Como destaca a Profª. Anke-Susanne Müller: “Com os dispositivos futuros sobre a prancheta, os resultados encorajadores obtidos com o SCU15 pintam um quadro brilhante para a futura implementação de dispositivos de SCU em instalações de radiação síncrotron atuais e da próxima geração”.

Fonte: http://www.anka.kit.edu/1902.php#block5604

Luz empurra matéria um milhão de vezes mais em ilha supercondutora (Light Pushes Matter One Million Times More On Superconducting Island)

Ilustração mostrando a ideia para a introdução de um sistema de dois níveis (qubit ou átomo artificial) em uma cavidade optomecânica. No interior da cavidade (azul), há um sistema quântico de dois níveis (verde), que é compatível mecanicamente (vermelho). Fonte (Nature): http://www.nature.com/ncomms/2015/150427/ncomms7981/fig_tab/ncomms7981_F1.html.

Quando um espelho reflete a luz, ele experimenta um leve empurrão, mas é insignificante em nossas vidas diárias. Nosso mobiliário não está em movimento devido à pressão de radiação da luz porque uma lâmpada de 100 Watt causa uma pressão de apenas um trilionésimo (uma parte em 1.000.000.000.000) da pressão atmosférica normal.

Radiação certamente pressiona matéria no espaço, as caudas dos cometas apontam tipicamente para longe do Sol, devido à pressão de radiação, e isso tem sido proposto como propulsão para velas solares. Em terra firme, a radiação tem sido aproveitada no domínio da física do laser, pode ser usada para acoplar o campo eletromagnético do laser com o movimento de pequenos osciladores mecânicos que podem ser encontradas no interior de relógios comuns. Devido à fragilidade da interação, geralmente precisa de lasers substancialmente fortes.

Um novo estudo mostra que esta pressão de radiação pode ser aumentada consideravelmente - com a ajuda de uma pequena ilha supercondutora. Jani Tuorila da Universidade de Oulu explica que a pressão de radiação nos sistemas são mensuráveis ​​apenas quando o oscilador é atingido por milhões de fótons, porém, colocando uma ilha supercondutora entre o campo eletromagnético e o oscilador para mediar a interação, a força da pressão de radiação pode ser aumentada consideravelmente.

“Nas medidas, exploramos o acoplamento das junções Josephson, especialmente seu caráter não-linear”, diz o co-autor Juha Pirkkalainen da Universidade Aalto, o pesquisador que realizou as medições. Os pesquisadores foram capazes de alterar o acoplamento da pressão de radiação de forma significativa. Com a ilha supercondutora, a pressão de radiação aumentou um milhão de vezes.

Devido ao aumento da pressão de radiação, o oscilador observa o campo eletromagnético com a precisão de um único fóton. Correspondentemente, os osciladores revelam-se ao campo com a resolução de um único quantum de oscilações, um fônon.

A pesquisa permite a observação de fenômenos quânticos em estruturas maiores do que antes, permitindo assim estudar a validade das leis da mecânica quântica em grandes estruturas. Será que isto ocorre apenas com partículas muito pequenas? A existência de um limite superior para a região da validade não foi encontrado ainda.

Fonte1: http://www.science20.com/news_articles/light_pushes_matter_one_million_times_more_on_superconducting_island-155304

Fonte2: http://www.nature.com/ncomms/2015/150427/ncomms7981/abs/ncomms7981.html

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