Usando campos magnéticos para entender a supercondutividade de alta temperatura (Using magnetic fields to understand high-temperature superconductivity)

Brad Ramshaw, cientista do Los Alamos National Laboratory (LANL) realiza um experimento no Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab, expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura na qual os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias. Crédito: Los Alamos National Laboratory

Cientistas do Los Alamos National Laboratory estão expondo supercondutores de alta temperatura a campos magnéticos muito elevados, mudando a temperatura que os materiais se tornam supercondutores e revelando propriedades únicas destas substâncias.

       “As medidas de campo magnético em supercondutores de alta temperatura estão pavimentando o caminho para uma nova teoria da supercondutividade”, diz Brad Ramshaw, um cientista do Los Alamos National Laboratory e principal pesquisador do projeto.

       O objetivo final da pesquisa é criar um supercondutor que opere à temperatura ambiente e não necessite de resfriamento. Todos os dispositivos que fazem uso de supercondutores, tais como os imãs MRI encontrados em hospitais, devem ser resfriados a temperaturas muito abaixo de zero, com nitrogênio líquido ou hélio, adicionando custo e complexidade à empresa.

“Esta é uma experiência verdadeiramente histórica que ilumina um problema de importância central para a física da matéria condensada”, disse Gregory Boebinger, cientista-chefe do Condensed Matter Science no National High Magnetic Field Laboratory's. “O sucesso deste trabalho é resultados das equipes terem as melhores amostras, os mais altos campos magnéticos, as técnicas mais sensíveis, e a criatividade inspirada por uma equipe de investigação multi-institucional”.

       Os supercondutores de alta temperatura, tais como o óxido de ítrio, bário e cobre (YBa₂Cu₃O_6+x), não podem ser explicados pela teoria BCS, e assim os pesquisadores necessitam de uma nova teoria para estes materiais. Um aspecto interessante dos supercondutores de alta temperatura, é que se pode alterar a temperatura de transição supercondutora (T_C) por doping, ou seja, alterando o número de elétrons que participam da supercondutividade.

       A pesquisa da equipe do Los Alamos descobriu que a dopagem do YBa₂Cu₃O_6+x onde a temperatura crítica é mais alta (dopagem ótima), os elétrons se tornam muito pesados e se movimentam de forma correlacionada.

       “Isso nos diz que os elétrons estão interagindo muito fortemente quando o material é um supercondutor ideal”, disse Ramshaw. “Essa é uma peça vital de informação para construir a próxima teoria da supercondutividade”.

       “Um problema de destaque na supercondutividade de alta T_C tem sido a questão de saber se um ponto quântico crítico - um valor especial de dopagem onde flutuações quânticas levam a fortes interações elétron-elétron - está elevando notavelmente a T_C nestes materiais”, disse ele. “Prova de sua existência nunca foi encontrada devido à natureza robusta da supercondutividade em cupratos, se os cientistas demonstrarem que existe um ponto quântico crítico, isso constituiria um marco significativo para a resolução do mecanismo de emparelhamento supercondutor, explicou Ramshaw.

       “Montar as peças deste complexo quebra-cabeça da supercondutividade foi uma tarefa difícil que envolveu cientistas de todo o mundo por décadas”, disse Charles H. Mielke, diretor do Pulsed Field Facility of the National High Magnetic Field Lab. “Embora o quebra-cabeça esteja incompleto, esta peça essencial liga resultados experimentais indiscutíveis de aspectos fundamentais da física da matéria condensada”.

       A equipe mediu oscilações quânticas magnéticas em função da dopagem em campos magnéticos muito fortes. Campos magnéticos elevados permitem que o estado normal seja acessado através da supressão da supercondutividade. Os campos que se aproximam de 100 T, em particular, permitem que as oscilações quânticas sejam medidas muito próximas do máximo na temperatura de transição, T_C ~ 94 K. Essas oscilações quânticas fornecem aos cientistas uma imagem de como os elétrons estão interagindo uns com os outros antes que eles se tornem supercondutores.

       Investigando uma gama muito ampla de dopagens, os autores mostraram que existe um forte aumento da massa efetiva na dopagem ótima. Um forte incremento da massa efetiva é a assinatura no aumento da força de interação entre os elétrons, e a assinatura de um ponto quântico crítico. A quebra de simetria responsável por este ponto ainda não foi fixada, embora uma conexão com o ordenamento de carga parece ser provável, observa Ramshaw.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-magnetic-fields-high-temperature-superconductivity.html#nRlv

Fonte2: http://www.sciencemag.org/content/348/6232/317

Físicos mapeiam a estrutura eletrônica da supercondutividade (Physicists map electron structure of superconductivity’s ‘doppelgänger’)

Andrea Damascelli pesquisa materiais com propriedades supercondutoras. Fonte: Hogan Wong/A Ubyssey

Cientistas estão pintando um profundo quadro do ordenamento de carga em supercondutores de alta temperatura, uma auto-organização eletrônica que pode estar intrinsecamente ligada com a própria supercondutividade.

       “Tudo o que podemos aprender sobre a estrutura do ordenamento de cargas nos leva um passo mais próximo de entender como este ordenamento está entrelaçado e potencialmente compete com a supercondutividade”, diz Riccardo Comin, principal autor que conduziu a pesquisa.

Dois estudos confirmam que o ordenamento de carga forma um ‘padrão de onda d’ predominantemente unidimensional.

       O ordenamento de carga cria instabilidades em cupratos supercondutores a temperaturas maiores do que -100º C. Isso faz com que alguns elétrons se reorganizem em novos padrões estáticos periódicos que competem com a supercondutividade. A razão por trás desta competição permaneceu uma incógnita até que esses estudos demonstraram que o ordenamento de carga e a supercondutividade compartilham a mesma simetria subjacente.

       “Curiosamente, os pares de elétrons supercondutores também apresentam uma configuração chamada onda d”, diz Andrea Damascelli, líder da equipe de pesquisa. “Isso dá mais credibilidade à possibilidade de que ambos os fenômenos são irmãos alimentando uma interação comum subjacente”.

Comin e colaboradores investigaram amostras frias de óxido de cobre, ítrio e bário com raios-x e descobriram que o ordenamento de carga produz um padrão listrado, ou seja, os elétrons se auto-organizam ao longo de uma direção, em vez de em duas direções.

       “Combinadas”, diz Comin, “nossas investigações fornecem uma resolução completa da simetria do ordenamento de carga em cupratos”.

Fonte1: http://science.ubc.ca/news/physicists-map-electron-structure-superconductivity%E2%80%99s-%E2%80%98doppelg%C3%A4nger%E2%80%99

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4295.html

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/347/6228/1335

Usando nióbio e tântalo em produtos supercondutores (Using Niobium and Tantalum in Superconducting Products)

A empresa H.C. Starck oferece hastes e folhas de tântalo e nióbio para a fabricação de fios supercondutores de baixa temperatura, onde resfriamento criogênico é necessário para manter o material abaixo da temperatura crítica.

       A empresa também fornece serviços de extrusão de feixes de fios de grande diâmetro para atender os requisitos dos clientes. Tântalo (Ta) e nióbio (Nb) apresentam propriedades especiais, que os tornam uma opção adequada para várias aplicações com supercondutores:

    - Aceleradores de partículas

    - Equipamentos médicos (RMN e RMI)

    - Levitação magnética

    - Equipamentos de pesquisa em fusão nuclear

    - Espectroscopia de massa

As folhas e as hastes de tântalo e nióbio da H.C. Starck têm sido usadas ​​em projetos científicos de grande escala para desenvolver reatores de fusão para produção de energia limpa e em grandes experimentos de acelerador de partículas. Os supercondutores são críticos para estes experimentos que envolvem a suspensão e controladores de plasmas de alta energia.

       Durante a produção do fio supercondutor, é tomado cuidado para garantir que as hastes e as folhas tiveram sua composição química, propriedades mecânicas e rugosidade de superfície, rigorosamente controladas. Isto é importante para permitir um melhor processamento e ajuda a alcançar um fio supercondutor de alta qualidade.

       As folhas são frequentemente utilizadas como uma barreira de difusão entre o estanho e cobre, e as hastes são usadas principalmente para a produção de fios supercondutores de Nb₃Sn. Estes fios são usados ​​em aplicações de alto campo magnético.

       O tântalo é usado principalmente em supercondutores para criar uma barreira de difusão confiável e estável entre a matriz de estanho e cobre. Essa barreira de difusão começa como uma folha de tântalo, cuja largura é reduzida para apenas uma fração da sua largura original durante o curso do processo de estiramento.

       Cuidados devem ser tomados para assegurar que a camada de tântalo não seja danificada e não deve haver qualquer contato direto entre o estanho e cobre. Esta é a razão pela qual a qualidade original da superfície, a uniformidade de espessura, as propriedades mecânicas e a microestrutura tem uma grande importância. Se essas propriedades não são controladas adequadamente, isso resultaria em pobres propriedades magnéticas, rendimentos reduzidos e vários outros efeitos indesejados.

       As propriedades do nióbio são tão importantes quanto as do tântalo, mas por razões ligeiramente diferentes. Este é o lugar onde a H.C. Starck se destaca. A empresa desenvolveu processos que facilitam o controle rigoroso de todas as propriedades e parâmetros chave. A H.C. Starck continua a fazer avanços na otimização das propriedades mecânicas ou microestruturais em suas instalações.

       A Figura 1 mostra o mapa EBSD e o pólo de hastes de nióbio em seção transversal.

 

Figura 1. Mapa EBSD e pólo das hastes de nióbio em secção transversal

As especificações das hastes de nióbio e tântalo são:

    - Controle microestrutural

    - Em conformidade com a norma ASTM B392 (Nb) e B365 (Ta)

    - Propriedades mecânicas e químicas consistentes

    - Comprimento máximo: 2,5 a 7,5 m

    - Diâmetros: 10 a 100 mm

As especificações das folhas de nióbio e tântalo são:

    - Química consistente

    - Excelente qualidade de superfície

    - Propriedades mecânicas sintonizados com as necessidades dos clientes

    - Em conformidade com a norma ASTM B393 (Nb) e B708 ​​(Ta)

    - Folha: 0,25 a 2,5 milímetros de espessura, até 1m de largura

    - Outras dimensões podem ser disponibilizadas mediante pedido

H.C. Starck presta serviços de extrusão para produção de fios supercondutores de baixa temperatura (Figura 2). A prensa de 5,500 mt é integrada com controles avançados para reduções ótimas e controle dimensional preciso. A alta tonelagem leva a propriedades excelentes dos fios e melhores rendimentos.

Figura 2. Tarugo para extrusão

O tarugo para extrusão opera sob as seguintes condições:

    - Temperatura de extrusão: vasta gama, atmosfera controlada

    - Força de pressão: 5500 toneladas

    - Diâmetro do tarugo de entrada: 152 a 432 milímetros (6-17 ")

Tântalo e nióbio são materiais supercondutores de baixa temperatura que continuarão sendo utilizados em aceleradores de partículas grandes e poderosos.

       Para obter mais informações visite o site da H.C. Starck.

Fonte: http://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=12082

Aplicação de supercondutor de alta temperatura produz maior campo magnético do mundo (Application of high-temperature superconductor yields world's highest magnetic field)

Uma parte do sistema recentemente desenvolvido, um RMN de 1020 MHz equipado com ímãs supercondutores (5 m de altura e 15 toneladas). Hélio líquido é utilizado para a refrigeração.

Uma equipe de pesquisadores japoneses desenvolveu com sucesso um sistema de ressonância magnética nuclear (RMN de 1.020 MHz), equipado com o maior campo magnético do mundo. A equipe confirmou o seu desempenho consideravelmente melhorado em comparação com sistemas convencionais de RMN em termos de sensibilidade e resolução.

        Sistemas RMN são usados para vários fins, incluindo a análise conformacional 3D de biopolímeros como proteínas, química orgânica e pesquisa de materiais. Em particular, é uma das ferramentas indispensáveis ​​para o desenvolvimento de novas drogas. No desenvolvimento de uma nova droga, é vital a compreensão de uma forma rápida e precisa das estruturas da proteína. Nessa visão, melhorar o desempenho dos sistemas RMN é de grande importância. A intensidade do campo magnético é um indicador chave do desempenho dos sistemas RMN. Não havia concorrência para desenvolver sistemas RMN com campos magnéticos superiores a 1.000 MHz. Durante muito tempo, esperava-se amplamente que a utilização de supercondutores de alta temperatura permitiria a produção de campos magnéticos acima de 1000 MHz. No entanto, como supercondutores de alta temperatura possuem problemas de fragilidade e processabilidade, nenhuma das partes tinha alcançado seu uso prático por um longo tempo.

        Através do desenvolvimento de várias novas tecnologias, incluindo a produção de fios com supercondutores de alta temperatura desenvolvida pela NIMS, a equipe de pesquisa criou recentemente o sistema RMN equipado com o campo magnético mais alto do mundo em 1020 MHz. Antes de alcançar esta conquista, a equipe passou 20 anos de planejamento, projeto e construção, bem como a superação de muitas dificuldades, como a suspensão do projeto.

        É esperado que o campo magnético extremamente alto contribua grandemente em vários campos de pesquisa como a biologia estrutural, a química analítica e a engenharia de materiais. Além disso, considerando que a RMN requer um campo magnético com extraordinária precisão, a tecnologia de supercondutores de alta temperatura desenvolvida para o RMN é aplicável a vários sistemas de alta tecnologia, como a fusão nuclear, trens de motor e cabos de alimentação.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-07-application-high-temperature-superconductor-yields-world.html

Fonte2: http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1090780715000968

Bobinas supercondutoras estimulam avanços na terapia de feixe de prótons (Superconducting Coils Spur Advances in Proton Beam Therapy)

Um acelerador supercondutor de prótons do MIT está diretamente ligado à cabeça da torre do PRONOVA para a terapia de radiação com feixe de prótons (PBRT - proton beam radiation therapy). A grande redução no tamanho do acelerador permite o tratamento de um ou dois ambientes, reduzindo o preço e melhorando a comodidade do PBRT em pacientes com câncer.

Para muitos tipos diferentes de câncer entre os pacientes de vários grupos etários, a terapia de radiação com feixe de prótons (PBRT- proton beam radiation therapy) é uma alternativa desejável em relação a outros tipos de terapia que usam radiação. Na PBRT, os aceleradores liberam feixes de prótons de alta energia para irradiar tumores cancerígenos. Um feixe de prótons pode ser apontado diretamente para o tumor, poupando da radiação o tecido saudável circundante.

       Com apenas 14 clínicas nos EUA, a PBRT não está disponível para todos os que se qualificam. Por mais de 10 anos, cientistas do Plasma Science and Fusion Center (PSFC) no MIT pesquisaram novos projetos para reduzir os custos de máquinas PBRT em clínicas de tratamento de câncer em todo o mundo.

       Em 2008, uma equipe do PSFC projetou um equipamento leve e compacto, substituindo bobinas eletromagnéticas de cobre com variedades supercondutoras. Bobinas supercondutoras são arrefecidas a baixas temperaturas a fim de reduzir a resistividade do material. O uso de materiais supercondutores permite fabricar bobinas menores com menos espiras e gerar campos magnéticos elevados, diminuindo o peso total do acelerador.

       O novo design pode ser colocado diretamente sobre a cabeça da torre que direciona o feixe de prótons em tumores. O projeto do MIT substitui o enorme tamanho do antigo sistema que exigia uma sala separada para o equipamento e outra para o paciente.

       Agora, a equipe reduziu ainda mais o tamanho e o peso do sistema, eliminando pesados componentes de ferro. Os supercondutores vão substituir uma viga de ferro no centro da lacuna de aceleração, o que aumenta o campo magnético estático e mantém os prótons num movimento em espiral no plano da aceleração. Bobinas supercondutoras também substituirão uma junção de ferro que contém o campo magnético interno e protege o equipamento no exterior.

       O ferro atinge a saturação magnética em cerca de 2 Tesla. Com a substituição por eletroímãs supercondutores, a equipe pode chegar a campos magnéticos mais altos com uma fonte de alimentação inferior. O design irá também proporcionar um maior controlo sobre a intensidade do feixe, que pode ser controlado alterando a corrente fornecida às bobinas. Isso permitirá aos médicos aumentarem ou diminuírem a intensidade para correlacionar com diferentes profundidades e densidades do tumor.

       Os pesquisadores do PSFC tem outras expectativas para o desenvolvimento e aperfeiçoamento de aceleradores de prótons para tratamento de câncer. Ao aumentar o campo magnético sem restaurar a uma fonte de alta tensão, a equipe espera ser capaz de acelerar outros íons pesados ​​a altas velocidades. Por exemplo, íons de carbono podem ser mais eficazes para o tratamento do câncer do que prótons de luz.

Fonte: http://machinedesign.com/technologies/superconducting-coils-spur-advances-proton-beam-therapy

O que é a supercondutividade e quando teremos trens levitando e energia elétrica ilimitada? (What is superconductivity, and when will we all get maglev trains and unlimited electrical power?)

A supercondutividade é um desses conceitos - como o spin do elétron ou a dilatação do tempo - que parece um tanto esotérico, mas que, se dominado por meio da tecnologia, pode revolucionar o mundo. É um fenômeno utilizado em várias aplicações, mas a capacidade de criá-lo em ambientes menos hospitaleiros poderia ser a chave para trazer muitos dos sonhos de ficção para a realidade.

       Simplificando, a supercondutividade é a propriedade de resistência nula ao movimento dos elétrons. Isto significa que se nós bombearmos um pouco de eletricidade em um loop supercondutor fechado, esse ciclo manteria sua carga eternamente. Os elétrons nunca perderiam sua energia por resistência, interferência magnética ou calor.

       Contudo, há um grande problema: todos os supercondutores conhecidos atualmente tem que ser ativamente mantidos nesse estado, ou seja, devemos mantê-los abaixo de uma determinada temperatura, e muitas vezes complementar isso aplicando um campo magnético. Os limites de temperatura são incrivelmente baixos, e, portanto, incrivelmente caros de manter. O alumínio, por exemplo, tem um limite de 1,2 K, ou -271,95 °C.

Uma amostra do material supercondutor: óxido de cobre, bismuto, cálcio e estrôncio (BSCCO-2223 - Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x)

A física envolvida ou é muito simples ou bastante complexa, dependendo do material. Em metais puros ou ligas de metais simples, a supercondutividade acontece, basicamente, quando os átomos do material são resfriados ao ponto em que os elétrons não são espalhados à medida que se movem através do metal. Materiais mais complexos, alguns dos quais podem atingir a supercondutividade acima de temperaturas criogênicas, tem a ver com interações transientes entre pares de elétrons. Isto significa que o loop infinito só pode existir se nós gastarmos quantidade significativa de energia para manter o loop no estado supercondutor.

       As aplicações atuais dos supercondutores são todas limitadas por seus requisitos de temperatura. Máquinas de ressonância magnética são incrivelmente caras, em grande parte porque exigem substâncias exóticas como o hélio líquido para resfriar as bobinas ao ponto em que elas devem conduzir eletricidade suficiente para criar fortes campos magnéticos necessários para reorientar as moléculas do corpo humano. Grande parte da despesa do Large Hadron Collider vem da mesma fonte. Até a investigação sobre o uso da energia da fusão nuclear está sendo retardada pela despesa e dificuldade de criar enormes plataformas magnéticas para o confinamento do plasma.

Primeiro cabo supercondutor do mundo.

É por isso que o Santo Graal não é a supercondutividade, mas a supercondutividade de alta temperatura ou à temperatura ambiente. O limiar de “alta temperatura” é tecnicamente em torno de 30K para supercondutores convencionais. Se pudéssemos arrefecer um material supercondutor a 29K com facilidade, então 29K seria uma temperatura elevada para os nossos propósitos.

       Com material supercondutor acessível e prático o suficiente, podemos enviar nossos elétrons através do Atlântico. Poderíamos transformar linhas de trânsito municipais em trens-bala de levitação magnética. Hospitais poderiam ter mais aparelhos de ressonância magnética. Em geral, poderia permitir a aplicação em grande escala de tecnologias anteriormente possível apenas em pequena escala, ou em laboratórios especiais bem financiados.

Trens maglev seriam a escolha lógica em quase todos os casos, se não fossem proibitivamente tão caros.

Atualmente não estamos nem perto desses limites. Os melhores supercondutores já criados, os cupratos, demandam refrigeração a -140 °C, e são difíceis e caros de produzir. Isso não quer dizer que não tenha havido sucesso. Considerando a eficiência elétrica simples, que representa uma perda de cerca de 6% na transmissão de energia, a cidade alemã de Essen recentemente instalou um cabo supercondutor de quilômetros de extensão para a transferência de energia da rede. Este cabo utiliza nitrogênio líquido para atingir uma temperatura de funcionamento de 60K, ou -206 °C. O uso de nitrogênio líquido para resfriamento faz com que seja pelo menos um pouco acessível, mas precisamos melhorar muito para começar a pensar em substituir a infraestrutura elétrica de todo o mundo.

Um diagrama do funcionamento interno do cabo supercondutor em Essen, Alemanha.

  

       A supercondutividade é uma importante área de pesquisa para acadêmicos e cientistas industriais, mas é provável que uma solução seja encontrada primeiro no quadro negro e depois no laboratório.

Fonte: http://www.extremetech.com/extreme/208651-what-is-superconductivity