A pedra de Rosetta: um potencial supercondutor de alta temperatura (A potential Rosetta Stone of high-temperature superconductivity)

Simulação numérica da heterogeneidade magnética (vermelho = magnetismo, azul = supercondutividade), causada pela substituição de 1% dos átomos de índio por átomos de cádmio no supercondutor CeCoIn₅. Imagem: NJ Curro (UC Davis) e Los Alamos National Laboratory

       A Pedra de Roseta tem a mesma mensagem escrita em três diferentes idiomas que dão aos estudiosos importantes insights sobre línguas antigas. O material CeCoIn₅, em virtude do seu elevado grau de pureza, permite o estudo da interação entre magnetismo, supercondutividade e a desordem em três diferentes classes de supercondutores não convencionais (cupratos, pnictídeos e férmions pesados). O sistema modelo pode ajudar os pesquisadores a decifrar os complexos fenômenos emergentes em diferentes classes de supercondutores convencionais e no desenvolvimento de uma teoria completa para a supercondutividade de alta temperatura.

       Em geral, a descoberta de novos materiais supercondutores com maiores temperaturas críticas (T_C) é feita por dopagem controlada, ou seja, substituindo estrategicamente certos elementos químicos por outros em um material de partida com uma T_C já elevada. Embora essa abordagem funcione, prever o comportamento dos materiais supercondutores continua a ser um grande desafio devido a várias complexidades incluindo a desordem nos materiais cristalinos.

       Uma equipe internacional de cientistas coordenada pelo Los Alamos National Lab demonstrou que o composto CeCoIn₅ com incrível elevada pureza e a mais alta temperatura supercondutora de um material à base de cério, pode servir como um sistema ideal para investigar o efeito de desordem nos materiais. Flutuações magnéticas, um limitador para a supercondutividade não convencional, são observadas no CeCoIn₅, mas localmente desaparecem no material dopado com uma pequena quantidade de cádmio (que substitui índio). Surpreendentemente, a temperatura de transição supercondutora do material dopado permanece quase inalterada.

       O trabalho mostra 'gotas' estáticas de magnetismo em torno dos átomos dopados, mas que não afetam a supercondutividade neste material. Espera-se que mais pesquisas sobre este material permita decifrar outros aspectos da supercondutividade não convencional que poderia abrir caminho para o desenvolvimento de uma teoria mais completa desse fenômeno.

Fonte1:http://www.rdmag.com/news/2015/04/potential-rosetta-stone-high-temperature-superconductivity

Fonte2:http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n2/full/nphys2884.html

Fonte3:http://phys.org/news/2014-01-cecoin5-reveals-secrets-superconductivity-magnetism.html

Fonte4:http://www.nature.com/nphys/journal/v10/n2/full/nphys2833.html

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