Supercondutores podem detectar a matéria escura (Superconductors could detect superlight dark matter)

Um conjunto maciço de galáxias conhecidas como Abell 1689, captadas pelo Hubble. A lente gravitacional observada pelo Hubble em Abell 1689 indica a presença de matéria escura. Crédito: NASA, N. Benitez (JHU), T. Broadhurst (Racah Institute of Physics/The Hebrew University), H. Ford (JHU), M. Clampin (STScI),G. Hartig (STScI), G. Illingworth (UCO/Lick Observatory), ACS Science Team, ESA

      Muitas experiências estão atualmente à procura de matéria escura, substância invisível que os cientistas sabem que existe pelo seu efeito gravitacional sobre estrelas, galáxias e outros objetos. Na Terra, os cientistas estão usando aceleradores de partículas, como o Large Hadron Collider (LHC), para procurar a matéria escura. Embora os pesquisadores tenham varrido todas as suas bases de localização, esses detectores podem não ser sensíveis o suficiente para detectar a matéria escura se a massa da matéria escura for menor do que 10 GeV (10 bilhões de elétrons-volt).

       Para resolver este problema, os físicos estão trabalhando no desenvolvimento de detectores mais sensíveis. Em um novo estudo, os cientistas propuseram um novo tipo de detector feito de supercondutores. A matéria escura tem uma massa na faixa de 1 keV (1000 elétrons-volt) a 10 GeV, até um milhão de vezes mais leve do que o próton.

       “A maior importância do nosso trabalho é a capacidade potencial para detectar a matéria escura com massa entre mil a um milhão de vezes mais leve do que a massa do próton,” disse Kathryn M. Zurek, uma das principais pesquisadoras envolvidas no trabalho. “Detectores supercondutores são a única proposta para a matéria escura nesta faixa de massa”.

       Embora a maior parte da matéria escura não interaja com qualquer coisa, os cientistas assumem que ela interage com a matéria comum de alguma forma, ou então eles não poderiam detectá-la no laboratório. Mas não está claro se a matéria escura interage com os elétrons, núcleos, ambos, ou qualquer outra coisa.

       Em geral, os detectores de matéria escura são baseados no princípio de que, se uma partícula de matéria escura atingisse o detector e interagisse com ele, a colisão iria produzir outros tipos de partículas, tal como um fóton ou fônons (um quanta de vibração) numa energia específica. O material do detector é de extrema importância, pois a interação entre a matéria escura e o detector determina as propriedades específicas da partícula que é produzida. Alguns dos detectores mais sensíveis são feitos hoje em dia de xenônio líquido (detector de LZ), cristal de germânio (SuperCDMS), e outros materiais semelhantes.

       No novo estudo, os físicos mostraram que um detector de matéria escura feito de um supercondutor, tal como alumínio ultrapuro, pode ser o material mais sensível, capaz de detectar a matéria escura com uma massa de algumas centenas de keV ou menos. A sensibilidade resulta do fato de que os supercondutores possuem um band gap de zero ou muito próximo de zero. O alumínio, por exemplo, tem um pequeno gap na faixa de 0,3 MeV (0,0003 eV).

       A ideia é que uma das partículas de matéria escura que pode estar constantemente fluindo através da Terra espalhe um elétron livre no supercondutor. Em um supercondutor, os elétrons livres estão ligados em pares de Cooper com uma energia de ligação de 0,001 eV. Se uma partícula de matéria escura tem energia suficiente para promover um elétron acima do gap do material, ele vai quebrar o par de Cooper. Desta forma, o supercondutor absorve a energia da partícula de matéria escura. Em seguida, um segundo dispositivo (um calorímetro) mede a energia térmica depositada no absorvedor, proporcionando evidência direta da partícula de matéria escura.

       Os físicos preveem que melhorias razoáveis ​​na tecnologia de detector de corrente pode tornar este conceito viável no futuro próximo. Um dos maiores desafios será reduzir o ruído a partir de fontes diferentes da matéria escura, como o térmico e o ambiental. Se o detector supercondutor puder ser construído, ele irá fornecer o teste mais sensível até o momento da matéria escura e dar aos cientistas uma chance melhor de descobrir do que é feita a maior parte da matéria no universo.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-02-superconductors-superlight-dark.html

Fonte2: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Grafeno transformado em um supercondutor (Wonder material graphene has been turned into a superconductor)

Estas folhas de grafeno foram cultivadas em um cristal de carbeto de silício (SiC). A equipe mostrou que, quando a temperatura atinge cerca de 4 K (-269 °C), a resistência elétrica do material despenca rapidamente - uma clara indicação da supercondutividade.

       Pesquisadores no Japão descobriram uma maneira de fazer o grafeno se tornar supercondutor. A nova propriedade contribui para a lista dos impressionantes atributos do grafeno, como o fato de ser mais forte do que o aço, mais duro que o diamante e incrivelmente flexível. Porém, ainda não há muitos motivos para comemorar: a supercondutividade no grafeno ocorreu a -269 °C, muito baixa para aplicações, por exemplo, em linhas de transporte de energia.

       Mas o que é interessante, é que esta pesquisa sugere que o grafeno pode ser usado para construir dispositivos eletrônicos de alta velocidade em escala nanométrica. Imaginem toda a eletricidade que poderia ser “salva” em computadores contendo pequenos circuitos de grafeno, capazes de ampliar o transporte de elétrons sem desperdício de energia.

       Para aqueles que não estão familiarizados com o grafeno, o material é uma camada de um átomo de espessura de carbono (grafite, o material que compõe o seu lápis), dispostos em um padrão hexagonal.

       Os elétrons dentro do grafeno exibem um estado especial chamado cone de Dirac, no qual se comportam como se não possuíssem massa. Isso tornar os elétrons muito rápidos, fazendo do grafeno um condutor muito eficiente, porém, ele não é um supercondutor.

       Agora, uma equipe da Universidade de Tohoku e da Universidade de Tóquio conseguiu verificar a supercondutividade no grafeno através da dopagem de átomos de cálcio entre duas folhas de grafeno.

       A supercondutividade geralmente ocorre com o emparelhamento de elétrons em pares de Cooper. Os pesquisadores ficaram estimulados por saberem que isso está ocorrendo em um material onde os elétrons se comportam como se não tivessem massa.

       No ano passado, os pesquisadores foram capazes de tornar o grafeno supercondutor, revestindo-o com lítio, mas a equipe japonesa já tinha alcançado a mesma coisa com o material em seu estado original.

       Eles mostraram que a supercondutividade não ocorre com as duplas camadas de grafeno sozinhas, ou quando as reveste com lítio, o que sugere que os átomos de cálcio são os responsáveis pela supercondutividade no grafeno dopado.

Se os pesquisadores descobrirem o que está acontecendo, serão capazes de ajustar o processo e encontrar uma maneira de conseguir a supercondutividade no grafeno em temperaturas mais altas.

Como mencionado anteriormente, é improvável que o grafeno seja usado para construir linhas de energia, mas pode revolucionar nossos computadores.

       “Os últimos resultados preparam o caminho para o desenvolvimento de nanodispositivos supercondutores de ultra-alta velocidade, como um dispositivo de computação quântica que utiliza supercondutor em seu circuito integrado”, segundo a universidade de Tohoku.

Fonte1: http://www.sciencealert.com/wonder-material-graphene-has-been-turned-into-a-superconductor

Fonte2: pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b07848

Supercondutividade induzida por laser (Superconductivity: footballs with no resistance)

Laser intenso remove a resistência elétrica de uma camada do cristal de K₃C₆₀, uma molécula contendo 60 átomos de carbono semelhante à bola de futebol. Isto é observado a temperaturas de -170 °C. © J. M. Harms

Físicos do Instituto Max Planck usaram pulsos de laser no K₃C₆₀, e por uma fração de segundo, observaram o estado supercondutor acima de 100 K, cerca de -170 °C. Como fulerenos têm uma estrutura química relativamente simples, os pesquisadores esperam ser capazes de obter uma melhor compreensão do fenômeno da supercondutividade induzida por luz através de suas novas experiências. Esses insights podem ajudar no desenvolvimento de um material que conduz eletricidade à temperatura ambiente, sem perdas e sem excitação óptica.

Andrea Cavalleri e seus colegas pretendem preparar o caminho para o desenvolvimento de materiais supercondutores à temperatura ambiente. Sua observação de que os fulerenos, quando excitados com pulsos de laser tornam-se supercondutores, leva a um passo mais perto de alcançar este objetivo. Esta descoberta pode contribuir para uma compreensão mais profunda da supercondutividade induzida por luz, uma vez que é mais fácil formular uma explicação teórica para os fulerenos do que para os cupratos. Uma explicação completa deste efeito pode, por sua vez, ajudar os cientistas a terem uma melhor compreensão da supercondutividade de alta temperatura e fornecer uma receita para um supercondutor artificial à temperatura ambiente.

Em 2013, pesquisadores do grupo de Andrea Cavalleri demonstraram que, sob certas condições, pode ser possível um material ser supercondutor à temperatura ambiente. Um óxido cerâmico que pertence à família dos cupratos se tornou supercondutor sem qualquer resfriamento durante alguns trilionésimos de segundo quando os cientistas usaram um pulso de laser infravermelho. Um ano mais tarde, cientistas em Hamburgo apresentaram uma possível explicação para este efeito.

Eles observaram que, na sequência de excitação com o flash de luz, os átomos mudam de posição. Esta mudança persiste no estado supercondutor. Em termos gerais, a mudança de posição induzida pela luz na estrutura abre caminho para que os elétrons se movam através da cerâmica sem perdas. No entanto, a explicação é muito dependente da estrutura cristalina altamente específica dos cupratos. Como o processo foi entendido na época, poderia ter envolvido um fenômeno que só surge neste tipo de materiais.

A equipe comandada por Cavalleri, se perguntou se a luz também pode quebrar a resistência elétrica de mais supercondutores tradicionais.

As moléculas do K₃C₆₀ consistem de 60 átomos de carbono que se ligam na forma de uma bola de futebol: uma esfera compreendendo pentágonos e hexágonos. Com a ajuda de íons de potássio carregados positivamente intercalados, que funcionam como um tipo de cimento, os fulerenos carregados negativamente se unem uns aos outros para formar um sólido. Este assim chamado fulleride alcalino é um metal que se torna supercondutor abaixo de -250 °C.

Os pesquisadores irradiaram o fulleride alcalino com pulsos de luz infravermelhos de alguns bilionésimos de um microssegundo e repetiram o experimento em uma gama de temperaturas entre a temperatura crítica e a temperatura ambiente. Eles definiram a frequência da fonte de luz para que produzisse vibrações nos fulerenos. Isto faz com que os átomos de carbono oscilem de tal maneira que os pentágonos se expandam e contraiam. Espera-se que esta alteração na estrutura gere a supercondutividade em temperaturas elevadas de uma forma semelhante ao processo dos cupratos.

Para testar isso, os cientistas irradiaram a amostra com um segundo pulso de luz, ao mesmo tempo do pulso de infravermelhos, ainda que a uma frequência de terahertz. A força com que este pulso é refletido indica a condutividade do material. O resultado foi uma condutividade extremamente alta. “Estamos bastante confiantes de que induzimos a supercondutividade a -170 °C”, diz Daniele Nicoletti. Isto significa que a experiência em Hamburgo apresenta uma das maiores temperaturas críticas observada fora da classe dos cupratos.

“Agora estamos planejando a realização de outras experiências que nos permitirão chegar a uma compreensão mais detalhada dos processos vistos aqui”, diz Nicoletti. O que eles gostariam de fazer agora é analisar a estrutura cristalina durante a excitação com a luz infravermelha. Como era anteriormente o caso do cuprato, isto deve ajudar a explicar o fenômeno. Os pesquisadores, então, gostariam de irradiar o material com pulsos de luz que duram muito mais tempo. “Embora isso seja tecnicamente muito complicado, poderia estender a vida útil da supercondutividade, tornando-se potencialmente relevante para aplicações”, conclui Nicoletti.

 

Fonte1: http://www.mpg.de/9949877/superconductivity-fullerenes-light-induced

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature16522.html

Calor transportado por 1 metro esfria chips a distância

Redação do Site Inovação Tecnológica -  15/02/2016

Ilustração artística do calor quanticamente limitado transportado por longas distâncias usando fótons de micro-ondas. [Imagem: Heikka Valja]

Transporte de calor

Em um avanço marcante em física, pesquisadores da Universidade de Aalto, na Finlândia, conseguiram transportar o calor com eficiência máxima a uma distância 10.000 vezes maior do que a que já havia sido conseguida.

Isso significa que o aparato de dissipação de calor pode ficar distante do local onde o calor é gerado - o dissipador e o exaustor podem ficar longe do processador, por exemplo.

Além disso, a técnica permitirá a utilização de metais comuns juntamente com supercondutores, tudo no mesmo chip, o que dará um novo impulso à construção de processadores quânticos, nos quais o calor é sinônimo de "ruído", que faz os qubits perderem seus dados. E inúmeras outras aplicações são possíveis.

“A longa distância alcançada pelos nossos experimentos pode, por exemplo, levar à construção de motores de calor mesoscópicos de eficiência total, com promissoras aplicações práticas,” disse o professor Mikko Mottonen, cuja equipe já havia tirado proveito de técnicas especiais de resfriamento para criar nós quânticos.

Transmissão de calor a distância

Nos experimentos, o calor foi transmitido com eficiência a uma distância de até 1 metro, uma enormidade para todas as aplicações quânticas e longe o suficiente para permitir aplicações em macroescala.

“Para os processadores de computador, um metro é uma distância extremamente longa. Ninguém pensa em construir um processador tão grande,” disse Mikko Mottonen.

O que é inovador no trabalho é a utilização de fótons - partículas de luz - para transferir calor. Nada exatamente radical, já que são fótons que trazem o calor do Sol para a Terra, mas, até hoje, a tecnologia vinha utilizando elétrons.

“Nós conseguimos esta melhoria de quatro ordens de grandeza na distância utilizando fótons de micro-ondas viajando em linhas de transmissão supercondutoras. Assim, parece que a condução de calor quanticamente limitado não tem distâncias máximas fundamentais. Este trabalho estabelece a integração de componentes de metal normal no quadro do circuito de eletrodinâmica quântica, que está na base do computador quântico supercondutor,” escreveu a equipe.

Bibliografia:
Quantum-limited heat conduction over macroscopic distances. Matti Partanen, Kuan Yen Tan, Joonas Govenius, Russell E. Lake, Miika K. Makela, Tuomo Tanttu, Mikko Mottonen. Nature Physics. Vol.: Published online. DOI: 10.1038/nphys3642. http://arxiv.org/abs/1510.03981

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=calor-transportado-1-metro-esfria-chips-distancia&id=010110160215

Campo de força magnético protegerá astronautas contra radiação

Redação do Site Inovação Tecnológica -  10/02/2016

O campo de força magnético será gerado por fios supercondutores feitos de diboreto de magnésio (MgB₂). [Imagem: SR2S/Giorgina Colleoni/Valerio Calvelli]

        Enquanto a NASA se prepara para testar um escudo magnético para proteger as naves contra o calor na reentrada na atmosfera, a ESA (Agência Espacial Europeia) trabalha em um conceito similar para proteger os astronautas contra a radiação espacial.

        Os esforços foram concentrados em um projeto chamado SR2S (Space Radiation Superconducting Shield - Escudo Supercondutor contra Radiação Espacial).

        As primeiras informações sobre o projeto foram divulgadas no ano passado por físicos do LHC, que se juntaram ao projeto para compartilhar sua larga experiência no uso dos ímãs supercondutores que deverão gerar o escudo antirradiação espacial.

        Agora a equipe europeia anunciou a conclusão do projeto básico, afirmando que “agora têm o conhecimento e as ferramentas necessárias para desenvolver escudos magnéticos para proteger os astronautas da exposição à radiação causada pelos raios cósmicos galácticos”.

        A escolha do supercondutor recaiu mesmo sobre o diboreto de magnésio (MgB₂) para gerar o campo de força antirradiação, conforme anunciado inicialmente pela equipe do LHC.

        Os fios e cabos supercondutores serão dispostos de forma a gerar um campo que os engenheiros chamaram de “estrutura abóbora”, devido ao formato das linhas de força do escudo.

        “Esta é uma configuração de escudo ativo que é crucialmente leve e, portanto, adequada para as missões de longa duração no espaço profundo. A estrutura funciona reduzindo o material atravessado pelas partículas incidentes, evitando assim a geração de partículas secundárias e, por decorrência, gerando um escudo mais eficiente,” diz o comunicado do projeto.

        Esse “escudo abóbora” deverá gerar um campo magnético 3.000 vezes mais forte do que o da Terra, suficiente para projetar um campo de força de 10 metros ao redor da nave, desviando os raios cósmicos incidentes e, desta forma, protegendo os astronautas em seu interior.

Visualização artística de uma nave para voos de longa duração com o escudo antirradiação implantada ao seu redor. [Imagem: SR2S/Giorgina Colleoni/Valerio Calvelli]

        A grande restrição do projeto era o peso da estrutura geradora do campo de força, já que a adição de 1 kg à massa de uma espaçonave aumenta o custo da missão como um todo em U$ 15.000.

        Contudo, no espaço os ímãs supercondutores estarão em seu ambiente natural, dispensando os caros e pesados equipamentos de refrigeração necessários para mantê-los a quase -200° C. No frio do espaço, as naves estarão naturalmente em temperaturas próximas a essa.

        “Ainda poderão ser necessários muitos anos até que essa tecnologia esteja pronta para ser implantada de forma ativa nas missões espaciais tripuladas ao espaço profundo, mas mais testes da tecnologia SR2S continuarão a ser realizados no curto e médio prazos,” concluiu a nota.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=campo-forca-magnetico-protegera-astronautas-contra-radiacao&id=010130160210

Equipe chinesa faz descoberta inesperada sobre fusão (Chinese team makes unexpected fusion breakthrough)

A corrida pela fusão nuclear sustentável parece ter feito grandes progressos, depois que um grupo de pesquisa chinês disse ter mantido por mais de um minuto um gás de plasma superaquecido em 49,99 milhões de graus C.

Pesquisadores do Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST) disseram que foram capazes de aquecer o gás quase três vezes a temperatura no núcleo do Sol, e mantê-lo lá por 102 segundos.

O experimento envolveu o uso de um reator em forma de anel no Instituto de Ciências Físicas em Hefei, China, para aquecer e controlar gás hidrogênio a temperaturas extremas, e mantê-lo no lugar longe das paredes do anel usando ímãs supercondutores de alta potência.

     Fazer isso é extremamente difícil, e as experiências anteriores só conseguiram, no máximo, mantê-lo por menos de um minuto. A equipe chinesa foi capaz, ao que parece, de demonstrar novas técnicas para aumentar esse tempo de forma significativa, e espera-se aumentar ainda mais esse registro por um fator de 10 nos próximos anos.

     Em si mesmo, o processo demonstrado pela equipe não gera energia, mas é considerado uma peça técnica fundamental no quebra-cabeça. A fusão nuclear envolve o uso de grandes quantidades de energia para sua criação e para manter a reação por tempo suficiente de modo a obter mais energia do que aquela gasta no início. Fazer isso exige controlar o plasma de hidrogênio, que é o objetivo da equipe chinesa.

     As implicações da fusão nuclear são extraordinárias. O objetivo final é uma nova forma de energia limpa, barata e sustentável, que não requer o uso de elementos extremamente raros. Em teoria, isso representaria uma fuga da dependência de combustíveis fósseis e de velhas tecnologias de fissão nuclear, mais perigosas e sujas.

Cientistas do Instituto Max Planck usaram sua máquina para aquecer hidrogênio a 100 milhões °C por um curto período. STEFAN SAUER/AFP/Getty Images

O avanço chinês vem menos de uma semana depois de uma equipe do Instituto Max Planck aquecer hidrogênio a temperaturas ainda mais intensas - até 100 milhões °C -, mas por períodos de tempo muito mais curtos. O governo alemão tem dedicado mais de £ 1 bilhão para a busca da fusão nuclear, mesmo quando o objetivo final é visto a décadas de distância.

     Em termos de temperatura bruta, 50 milhões °C é uma mera brisa suave. A temperatura mais quente feita pelo homem - e, até onde sabemos, o ponto mais quente do universo - chegou a 5,5 trilhões °C, e foi criado em 2012 dentro do Large Hadron Collider. O experimento foi suficiente para esmagar partículas e criar o plasma quark-glúon, uma forma exótica de matéria que existia imediatamente após o Big Bang.

     De acordo com o South China Morning Post, a equipe chinesa no EAST disse que seu novo recorde está abaixo dos seus próprios objetivos, que é manter uma temperatura de cerca de 100 milhões °C por 1.000 segundos. Fazer isso seria um feito extraordinário, embora ainda deixasse a humanidade muitos anos longe de uma solução comercialmente viável da fusão.

     Felizmente, existe colaboração internacional - caótica, mas real - no domínio da fusão, bem como a concorrência: a China é um membro do projeto Reator Termonuclear Experimental Internacional, atualmente em construção na França, que visa produzir um reator capaz de gerar 500 megawatts de fusão por 400 segundos.

Fonte: http://www.wired.co.uk/news/archive/2016-02/09/china-fusion-breakthrough