Uma rota para desenvolver nanodispositivos supercondutores (A route to developing superconducting nano-devices)

Ferro (Fe) círculos verdes, selênio (Se) círculos azuis. A temperatura de transição supercondutora é sintonizada através da introdução de elétrons por deposição de átomos de potássio K (círculos laranja) na superfície. Círculos amarelos representam um par de elétrons supercondutores (par de Cooper). (Imagem: Takashi Takahashi)

    

Um grupo de pesquisa da Universidade de Tohoku conseguiu fabricar um filme supercondutor atomicamente fino de alta temperatura crítica (T_C = 60 K ou -213 °C). A equipe, liderada pelo professor Takashi Takahashi, também estabeleceu o método para controlar/sintonizar a T_C.

Esta descoberta não só fornece uma plataforma ideal para investigar o mecanismo da supercondutividade no sistema bidimensional, mas também abre o caminho para o desenvolvimento de dispositivos supercondutores em nanoescala da próxima geração. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Materials (clique aqui).

Supercondutores são considerados como um dos candidatos mais promissores para os dispositivos eletrônicos avançados da próxima geração. Porém, a aplicação de supercondutores em dispositivos tem sido muito difícil. O maior obstáculo é a necessidade de um sistema de refrigeração grande e dispendioso com hélio líquido, devido à baixa T_C dos supercondutores convencionais, que é próxima do zero absoluto (0 K ou -273 °C). Também tem sido um grande desafio realizar a integração de alta densidade de supercondutores em dispositivos eletrônicos. A fim de ultrapassar estes problemas, é definitivamente necessário desenvolver um novo supercondutor com T_C superior que possa ser fabricado numa película fina.

A equipe de pesquisa da Universidade de Tohoku voltou sua atenção para o seleneto de ferro (FeSe), que é um membro dos supercondutores à base de ferro. Enquanto a T_C do FeSe é de apenas 8 K (-265 °C), a assinatura de uma maior T_C tem sido sugerida em filmes ultrafinos e sua verificação foi urgentemente necessária.

Inicialmente, os pesquisadores fabricaram filmes atomicamente finos de FeSe de alta qualidade. Os filmes possuem espessura entre uma monocamada (que corresponde a 3 átomos de espessura) e vinte monocamadas (60 átomos de espessura), e foram fabricados usando a técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE – feixe molecular epitaxial). Em seguida, eles investigaram cuidadosamente a estrutura eletrônica dos filmes finos usando o método Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES - espectroscopia de fotoemissão com resolução angular).

Elétrons são emitidos a partir da superfície pela incidência de luz ultravioleta. A estrutura eletrônica do cristal é determinada através da medição da energia e o ângulo de emissão dos elétrons. (Imagem: Takashi Takahashi)

Nas medidas da ARPES, os investigadores observaram a abertura de um gap supercondutor a baixa temperatura, que é uma prova direta da emergência da supercondutividade nos filmes. Os investigadores encontraram que a T_C estimada a partir do gap em um filme de monocamada é surpreendentemente elevada (acima de 60 K), que é cerca de 8 vezes maior do que a T_C de amostras volumétricas do FeSe.

Enquanto filmes multicamadas não mostram supercondutividade, os pesquisadores descobriram um novo método para depositar átomos alcalinos sobre os filmes e controlar a densidade de elétrons no filme. Ao empregar este método, os pesquisadores conseguiram converter os filmes multicamadas de não-supercondutores em supercondutores de alta T_C ~ 50 K.

O resultado dá um grande impacto para ambas as pesquisas básicas e aplicadas em supercondutores. Pode conduzir à intensas pesquisas visando aumentar ainda mais a T_C, alterando o número de camadas atômicas, a quantidade de elétrons dopados e as espécies do substrato. Abre uma via para o desenvolvimento de um nanodispositivo supercondutor que consiste em partes de tamanho atômico. O supercondutor ultrafino de alta-T_C pode contribuir eficazmente para o redimensionamento significativo e consequente integração de alta densidade em circuitos elétricos, levando à realização de dispositivos eletrônicos de futura geração com alta economia de energia e operação de ultra-alta velocidade.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40278.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4302.html

Pesquisadores usam Mira para olhar dentro dos supercondutores de alta temperatura (Researchers use Mira to peer inside high-temperature superconductors)

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando o supercomputador Mira para investigar o estado magnético em diferentes níveis de pressão, do seleneto de ferro, um conhecido supercondutor de alta temperatura. Crédito: Lucas Wagner, Universidade de Illinois

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando recursos de supercomputação do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), para estudar a natureza misteriosa dos supercondutores de alta temperatura.

Com temperaturas críticas que variam de 30 a 130 Kelvin, esta classe relativamente nova de supercondutores de alta temperatura é nova apenas no nome. Antes da sua descoberta, em 1986, acreditava-se que a supercondutividade só poderia ocorrer em temperaturas abaixo de 30 Kelvin.

     A descoberta de supercondutores de alta temperatura levou a inúmeras pesquisas que resultaram na identificação de vários outros supercondutores, mas a origem de suas propriedades únicas permanece indefinida.

     “Nós ainda não temos uma teoria universal para os supercondutores de altas temperaturas”, disse Lucas Wagner, professor assistente na Universidade de Illinois. “O objetivo do nosso trabalho no ALCF é dar um passo a mais na compreensão desses sistemas”.

     Com uma melhor compreensão dos mecanismos que dão origem à supercondutividade de alta temperatura, os cientistas poderão projetar novos materiais e desenvolver tecnologias a partir deles.

Supercondutores convencionais (de baixa temperatura), são utilizados em ressonância magnética e aceleradores de partículas, mas suas aplicações cotidianas são limitadas porque os materiais requerem sistemas de refrigeração muito caros e difíceis de trabalhar.

     “É possível que os supercondutores de alta temperatura amenizem algumas dessas deficiências e levem a outras aplicações potenciais, como linhas de transmissão de energia e motores elétricos, bem mais viáveis”, diz Wagner.

     No ALCF, Wagner e sua equipe estão usando o supercomputador Mira para simular o magnetismo do seleneto de ferro em diferentes níveis de pressão. O estudo foi inspirado no trabalho experimental que demonstrou que o seleneto de ferro é supercondutor a temperaturas elevadas quando submetidos a altas pressões.

Os pesquisadores realizam simulações da estrutura eletrônica do seleneto de ferro em um nível de detalhe sem precedentes. Até agora, os cálculos tem ajudado a compreender melhor o comportamento magnético do material e porque ele muda com a pressão, fornecendo evidências para apoiar a noção de que a supercondutividade de alta temperatura é de origem magnética.

     “As propriedades dos elétrons são determinadas por um equilíbrio entre uma tendência de se espalhar, evitar um ao outro e estar perto dos núcleos”, diz Wagner. “No seleneto de ferro, nós confirmamos que o equilíbrio entre essas três coisas leva a um caráter magnético incomum. E que este equilíbrio muda com a pressão”.

     As simulações de alta precisão não teriam sido possíveis sem um supercomputador massivamente paralelo como o Mira. Os materiais supercondutores são sistemas fortemente correlacionados, prever o seu comportamento depende do cálculo das interações entre seus elétrons. Métodos computacionais tradicionais, como a teoria do funcional da densidade, em média, desconsideram essas interações, o que tornava impossível estudar esses materiais com qualquer precisão no passado.

     Com a crescente disponibilidade de supercomputadores de alto desempenho, o método QMC (quantum Monte Carlo) surgiu como uma ferramenta eficaz para simular explicitamente as interações entre elétrons, abrindo a porta a novos esforços de investigação computacional para uma ampla gama de sistemas que necessitam de previsões realistas de propriedades dos materiais.

     Como o principal desenvolvedor do código aberto QWalk, Wagner está na vanguarda da pesquisa em QMC. Para ajudar a promover a pesquisa no ALCF, ele continua a trabalhar com os engenheiros de desempenho da instalação para melhorar o código no Mira. Até agora, eles têm sido capazes de aumentar a velocidade do QWalk em 20%.

     “Descobrimos que uma quantidade significativa de tempo foi gasto em uma parte do código com um padrão de computação de memória intensiva”, diz Vitali Morozov, principal engenheiro de desempenho de aplicações no ALCF. “Otimizando o uso de estruturas de dados para operações similares levaram a uma redução significativa do estresse sobre a largura de banda de memória”.

     A equipe de Wagner procura entender a diferença entre supercondutores de alta temperatura e materiais não supercondutores que exibem propriedades semelhantes. Eles também utilizam o Mira para prever novos materiais com propriedades promissoras. Os resultados contribuirão para um esforço de colaboração onde outros pesquisadores vão tentar fazer os materiais previstos.

     “Em última análise, esperamos que o nosso trabalho leve a novos supercondutores”, disse Wagner. “Além disso, os métodos e compreensão que estamos desenvolvendo aqui serão aplicáveis a muitas outras áreas críticas, da catálise à energia fotovoltaica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-03-mira-peer-high-temperature-superconductors.html

Três ideias supercondutoras para uso em automação industrial (Festo floats three superconducting ideas at Hannover)

Na demonstração SupraCycle da Festo, frascos de vidro são transportados de um processo para outro, sem contato físico

A Festo, uma empresa de automação industrial, apresentou suas mais recentes ideias para a utilização de supercondutores em aplicações industriais. Em três etapas, ela mostra como supercondutores podem ser utilizados: para armazenar e mover objetos em rolos suspensos (de fato, agindo como rolamentos supercondutores); para o transporte de peças de trabalho usando um veio transportador helicoidal rotativo; e para fazer a transferência de objetos a partir de um módulo de automação para outro, sem contato. O vídeo abaixo exibe todas as demonstrações consecutivamente.

        Durante vários anos, a Festo tem investigado e demonstrado potenciais aplicações industriais dos supercondutores. Ela diz que agora está perto de usar algumas das tecnologias em aplicações reais.

        “Não estamos mostrando apenas os efeitos impressionantes da levitação e as oportunidades oferecidas pela tecnologia de supercondutores, estamos discutindo ativamente o seu potencial em conjunto com a automação industrial”, revela Georg Berner, chefe de desenvolvimento corporativo da Festo. “No momento, estamos trabalhando no sentido de iniciar os nossos primeiros projetos-piloto”.

        As demonstrações da Festo não exploram a capacidade dos supercondutores de transportar grandes correntes sem resistência. Em vez disso, eles fazem uso de outro fenômeno - sua capacidade de tornar-se um ímã permanente a uma distância fixa em qualquer plano. Isso permite que os objetos sejam mantidos em posição ou movidos sem contato físico, sem a necessidade de muita energia e sem exigir eletrônica de controle.

        A primeira demonstração (começando em 2:40 no vídeo acima) é chamada SupraCarrier, e pode ser usada para mover planos, produtos não-ferromagnéticos de todos os tamanhos etc. A segunda demonstração (em 4:11 no vídeo), é chamada SupraHelix e mostra como peças em forma de anel poderiam ser transportadas a partir de uma estação de processamento para o outro. A demonstração final, chamada SupraCycle (6:00 no vídeo),        poderia ser usada para transferir objetos sem fazer contato com eles. No vídeo, esses objetos são frascos de vidro. A tecnologia pode ser usada para criar cadeias de processos de qualquer comprimento.

Fonte: http://www.drivesncontrols.com/news/fullstory.php/aid/4773/Festo_floats_three_superconducting_ideas_at_Hannover.html

Pesquisadores descobrem “dança-oscilante” em pares de elétrons (Researchers discover 'swing-dancing' pairs of electrons)

Linha inferior: representação de elétrons em um estado supercondutor. Os casais dançam de forma síncrona e sem perda de energia. Linha superior: elétrons dançando de forma totalmente independente no estado normal. Linha do meio: elétrons “dançam oscilando” como pares, mas não formam um estado supercondutor.

Pesquisadores liderados por Jeremy Levy descobriram que elétrons podem “dançar oscilando”. Este comportamento eletrônico pode levar potencialmente a novas famílias de dispositivos quânticos.

        Supercondutores constituem a base para dispositivos de imagem de ressonância magnética, bem como tecnologias emergentes, como computadores quânticos. No coração de todos os supercondutores está o agrupamento de elétrons em pares.

        Levy, Professor de Física e diretor do Pittsburgh Quantum Institute, descobriu uma fase onde os elétrons formam pares, mas não chegam a um estado supercondutor. A descoberta fornece novas pistas fundamentais em um mecanismo que um dia poderia ser usado para projetar um material que é supercondutor à temperatura ambiente. Tal avanço iria transformar radicalmente uma variedade de tecnologias, como trens de alta velocidade, transmissão de energia sem perdas e computadores que operam com requisitos de energia insignificantes.

        Uma maneira de entender esse novo estado é estender uma analogia articulada por J. Robert Schrieffer, que dividiu o Prêmio Nobel de Física em 1972 pela teoria (BCS) da supercondutividade. Em um supercondutor, o movimento de elétrons emparelhados é altamente coordenado, semelhante à valsa de casais na pista de dança. No estado normal ou não supercondutor, os elétrons se movem de forma independente, esbarrando uns nos outros de vez em quando e dissipando energia. O que a nova pesquisa identificou é um estado intermediário onde os elétrons formam pares, mas cada par se move de forma independente. Pode-se considerar que os pares de elétrons estão numa “dança oscilante”, onde os pares dançam de mãos dadas, mas não se movem em sincronia.

        David M. Eagles, em 1969, publicou a primeira teoria para descrever como os elétrons formam pares sem estabelecer um estado supercondutor. Guanglei Cheng, professor assistente no laboratório de Levy, descreve como a teoria foi comprovada: “A descoberta vem do avanço tecnológico para fabricar transistores supercondutores de um único elétron em uma interface de óxido - uma tecnologia que nos permite contar os elétrons e os pares, um por um. E isso é apenas o começo. Agora temos uma plataforma inovadora para estudar as fascinantes correlações elétron-elétron em dimensões nanométricas”.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40071.php

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v521/n7551/full/nature14398.html

Primeiro bit quântico supercondutor do Reino Unido (UK's first superconducting quantum bit foundry)

Teresa Hoenigl-Decrinis com um sistema avançado de deposição de filmes finos. Acima da esquerda para a direita: várias demonstrações da natureza quântica de um dos qubits.

O professor Oleg Astafiev e sua equipe projetaram, construíram e operaram o primeiro dispositivo de qubit supercondutor do Reino Unido.

       Bits quânticos ou qubits são os blocos básicos para um computador que trabalha de acordo com as regras da física quântica. Capaz de executar programas e tarefas que nossos computadores atuais não podem fazer, os computadores quânticos são o próximo grande passo no futuro da computação.

Dispositivos supercondutores são uma das mais avançadas tecnologias em estudo a nível mundial para implementar os computadores quânticos. As aplicações potenciais destes materiais vão muito além do campo da computação quântica e incluem avanços na medicina e na exploração do espaço.

       O professor Astafiev e sua equipe obtiveram avanços importantes na qualidade de nanofabricação e desenvolveram um dispositivo de vários qubits acoplados a uma linha de transmissão de microondas. As imagens mostram vários aspectos da natureza quântica do dispositivo e a análise detalhada dos dados comprova a elevada qualidade do processo de concepção e fabricação.

       Segundo Astafiev, “Vamos estudar dispositivos mais complexos e os fenômenos mais interessantes em dispositivos quânticos macroscópicos e fotônica de microondas quântica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-05-uk-superconducting-quantum-bit-foundry.html

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