Qubits supercondutores funcionam como motores quânticos

Com informações da Phys.org -  13/10/2017

      

Nessa arquitetura de duplo poço quântico, o poço da esquerda fica estático, enquanto o da direita oscila, permitindo a geração de trabalho. [Imagem: APS Sachtleben et al.- 10.1103/PhysRevLett.119.090601]

Os motores quânticos ainda parecem estranhos e fora de escala - eles são minúsculos - mas esse quadro pode mudar rapidamente, não apenas ajudando a entender melhor o funcionamento dos processos naturais, como também abrindo possibilidades de aplicações tecnológicas.

Um trio de físicos da Universidade Federal de Santa Catarina acaba de demonstrar que os mesmos circuitos supercondutores que estão na base de uma das abordagens mais promissoras para a construção dos computadores quânticos podem ser usados como motores quânticos - equivalentes microscópicos dos motores de automóvel.

Kewin Sachtleben, Kahio Mazon e Luis Rego mostraram que os qubits supercondutores são funcionalmente equivalentes a sistemas nos quais partículas quânticas tunelam através de depósitos especiais, conhecidos como poços quânticos.

Os poços quânticos têm a capacidade de oscilar, o que significa que sua largura muda repetidamente. Quando isso acontece, o sistema se comporta como o pistão do motor de um automóvel, que se move para cima e para baixo no interior de um cilindro. E esse comportamento oscilatório permite que seja realizado trabalho no sistema.

Os físicos demonstraram, contudo, que, no poço quântico duplo, entre os quais as partículas tunelam, parte desse trabalho vem de dinâmicas quânticas coerentes, o que cria um atrito que diminui a produção do trabalho - o que é diferente do motor quântico capaz de gerar trabalho sem produzir nenhum atrito.

Estes resultados proporcionam uma melhor compreensão da conexão entre o trabalho termodinâmico quântico e o trabalho termodinâmico clássico.

“A distinção entre o trabalho termodinâmico 'clássico', responsável pela transferência de população, e um componente quântico, responsável pela criação de coerências, é um resultado importante,” disse Mazon em entrevista à Phys.org. “A criação de coerências, por sua vez, gera um efeito similar ao atrito, causando uma operação não completamente reversível do motor. Em nosso trabalho conseguimos calcular a força de reação causada sobre a parede do pistão quântico devido à criação de coerências. Em princípio essa força pode ser medida, abrindo a possibilidade experimental de observar o surgimento de coerências durante a operação do motor quântico.”

O menor motor do mundo é um motor quântico feito com um único átomo de cálcio. [Imagem: Johannes Robnagel]

Um dos possíveis benefícios de encarar os qubits supercondutores como motores quânticos é que isso pode permitir incorporar dinâmicas quânticas coerentes em futuras tecnologias, particularmente nos computadores quânticos. Os físicos explicam em seu artigo que um comportamento semelhante pode ser visto na natureza, onde as coerências quânticas melhoram a eficiência de processos como a fotossíntese, a detecção de luz e outros processos naturais.

       “As máquinas quânticas podem ter aplicações no campo da informação quântica, onde a energia das coerências quânticas é usada para realizar a manipulação da informação,” disse Mazon. “Vale lembrar que mesmo a fotossíntese pode ser descrita de acordo com os princípios de funcionamento de uma máquina quântica, de modo que desvendar os mistérios da termodinâmica quântica pode nos ajudar a entender e interpretar melhor os diferentes processos naturais”.

Bibliografia:

Superconducting Qubits as Mechanical Quantum Engines. Kewin Sachtleben, Kahio T. Mazon, Luis G. C. Rego. Physical Review Letters, Vol.: 119, 090601. DOI: 10.1103/PhysRevLett.119.090601

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=qubits-supercondutores-funcionam-como-motores-quanticos&id=010165171013&ebol=sim

O dicalcogeneto ganha duas faces (Synopsis: The Dichalcogenide Gets Two Faces)

L. Liang and Q. Chen/University of Groningen

        Os campos elétricos aplicados em ambos os lados de um fino semicondutor dicalcogeneto de metal de transição criam uma camada supercondutora em cima de uma camada metálica dentro do material.

        Como o grafeno, os dicalcogenetos de metais de transição (TMDCs) são materiais que podem, com fita adesiva e paciência, serem diluídos até algumas camadas atômicas. Esse recurso, juntamente com suas propriedades eletrônicas e ópticas superiores, os torna componentes promissores da TMDCs para dispositivos ultracompactos. Jianting Ye, da Universidade de Groningen, e seus colegas mostraram agora que podem induzir dois comportamentos distintos - supercondutividade e condução metálica - em camadas atômicas adjacentes de uma lâmina TMDC inicialmente semicondutora.

        Para obter essa combinação de comportamento, os pesquisadores usaram campos eletrostáticos fortes, que eles aplicaram na superfície do material através de um filme dielétrico, ou "porta". Dependendo da sua polaridade, o campo da porta irá desenhar ou empurrar os portadores de carga dentro de algumas camadas atômicas da superfície. Em 2012, Ye e seus colegas usaram essa abordagem para induzir a supercondutividade em um filme fino do semicondutor MoS₂, o TMDC mais estudado. A chave era usar um dielétrico iônico-líquido, que produz campos suficientemente fortes para atingir a densidade de carga necessária para a supercondutividade ocorrer.

        Em seu novo trabalho, Ye e sua equipe tomaram um filme de cinco camadas de MoS₂ entre uma porta de líquido iônico (em cima) e uma porta de estado sólido convencional (abaixo). Eles usaram medidas de transporte de carga para confirmar que a camada superior do filme MoS₂ tornou-se um supercondutor e coexistiu com um estado metálico de alta mobilidade nas camadas inferiores restantes. Eles também mostraram que poderiam usar a porta inferior para controlar a interação eletrônica entre as camadas supercondutoras e metálicas e até mesmo para suprimir a supercondutividade. Este último efeito poderia ser a base para um novo tipo de transistor supercondutor.

Fonte: https://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.119.147002

Projeto brasileiro de trem de levitação magnética é o primeiro a transportar passageiros com essa tecnologia

Projeto da Coppe/UFRJ aguarda resposta para pedido de certificação internacional para poder ser 'exportado'

Maglev-Cobra, o trem de levitação magnética da Coppe/UFRJ (Foto: Divulgação Coppe/UFRJ)

Um trem de levitação magnética por supercondutividade, testado no Rio há um ano e sete meses, está à espera do resultado de um pedido de certificação internacional, que poderá abrir caminho para a sua produção industrial e comercialização. O veículo, criado pela Coppe/UFRJ e em funcionamento na Cidade Universitária, na Ilha do Fundão, é o primeiro no mundo a transportar passageiros com essa tecnologia. A composição, que circula sobre trilhos imantados, com baixo consumo de energia e sem emissão de poluentes, já despertou o interesse da China, que discute um acordo de cooperação com a universidade.

Desde fevereiro de 2016, o chamado Maglev–Cobra já transportou cerca de oito mil pessoas. As viagens pela linha experimental de 200 metros são às terças-feiras, das 11h às 15h, e ligam dois prédios do Centro Tecnológico da UFRJ. No trecho, ele atinge 12km/h, mas, em área urbana, poderá chegar a 100km/h.

Nos testes, o projeto da Coppe/UFRJ não apresentou problemas. A próxima etapa, a de certificação, é conduzida por um órgão independente.

“O processo de certificação tem um custo relativamente alto. Recorremos a um fundo de apoio do BNDES. A proposta está em avaliação”, explica o professor da Coppe/UFRJ Richard Stephan, coordenador do projeto. “O Inmetro ainda não está preparado para esse tipo de certificação, mas a TÜV, da Alemanha, poderia fazê-lo.”

O Maglev–Cobra está no nível sete da escala TRL, que vai até nove e é adotada pela Nasa para medir o grau de amadurecimento de uma nova tecnologia. Atingir o nível máximo indica que o projeto está pronto para ser comercializado.

A tecnologia criada pela Coppe/UFRJ dá sinais de que pode ser uma das soluções para a mobilidade urbana no mundo. O Japão, a Coreia do Sul e a China já dispõem de veículos de levitação magnética em operação comercial (Pequim deverá ganhar uma segunda linha até o fim do ano). Mas há diferenças entre o Maglev–Cobra e os trens da Ásia.

“Ele usa uma técnica de levitação estável que dispensa controladores, sensores e atuadores (dispositivos que movimentam uma carga). É um sistema mais confiável, com menos peso e volume”, diz Stephan.

Hoje, trens semelhantes em operação comercial no mundo usam levitação eletromagnética, que exige um sistema complexo para manter a distância correta entre o trilho e o veículo. A suavidade da operação do Maglev–Cobra impressiona, principalmente quem está acostumado com as composições da SuperVia e do metrô.

“Parece que estamos dentro de algo muito leve. Não faz barulho. É uma viagem muito suave”, disse Sara Braga, de 15 anos, aluna da rede estadual, que visitou a Coppe na semana passada.

        Segundo Stephan, o Maglev–Cobra poderia começar a rodar no Rio ligando a Rodoviária Novo Rio ao metrô da Praça Onze ou do Estácio. Outra possibilidade seria circular entre o shopping Nova América e a Ilha do Governador. Num segundo momento, do Recreio à Barra ou ao longo da Linha Amarela. Especialistas da Coppe já avaliam esses percursos.

Fonte: http://epocanegocios.globo.com/Tecnologia/noticia/2017/09/projeto-brasileiro-de-trem-de-levitacao-magnetica-e-o-primeiro-transportar-passageiros-com-essa-tecnologia.html

Processador supercondutor mais próximo da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/08/2017

Fluxons

       Anote na sua agenda a nova quasipartícula que está se habilitando para impulsionar um salto qualitativo na informática: os fluxons.

       Inicialmente conhecidos como vórtices de Abrikosov (Alexei Abrikosov 1928-2017), os fluxons são quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores quando eles são submetidos a um campo magnético. Curiosamente, o campo magnético destrói a supercondutividade naquele ponto, com o fluxon emergindo da circulação de uma pequena corrente elétrica induzida pelo magnetismo.

       Em outras palavras, o fluxon pode ser entendido como um quantum de campo magnético.

       Agora, uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria, demonstrou que esses objetos quantizados são particularmente adequados para armazenamento e processamento de dados, bastando que eles sejam organizados da forma correta.

       Para isso, a equipe criou uma espécie de “caixa de ovos quântica”, onde cada buraco acomoda um fluxon de forma estável e regular, criando uma matriz com centenas de milhares de fluxons, prontos para servirem de base para a computação ou para o armazenamento de bits.

       Isto representa o coroamento de um longo esforço rumo à criação de circuitos digitais em supercondutores - além da velocidade e da elevada densidade de dados, um processador supercondutor virtualmente elimina os problemas de aquecimento dos processadores atuais, permitindo dar um salto em termos de velocidade de processamento.

Estrutura (em cima) e microfotografia (embaixo) da armadilha de fluxons. [Imagem: G. Zechner et al. - 10.1103/PhysRevApplied.8.014021]

Em um supercondutor perfeitamente homogêneo, os fluxons emergem na forma de uma rede hexagonal. Mas essa estrutura em equilíbrio não serve para muita coisa. Com a nova armadilha artificial, torna-se possível organizar as quasipartículas em qualquer formação que se desejar, colocando-as em um arranjo fora do equilíbrio, adequado para codificar e processar informações.

       Georg Zechner e seus colegas criaram uma matriz de 180.000 fluxons. Dependendo do campo magnético externo, eles mudam de organização de uma forma que só é possível em se tratando de objetos quânticos: ao contrário dos ovos, onde cada depressão da caixa pode conter apenas um, na matriz cada armadilha pode ficar vazia, ter um fluxon ou ter vários fluxons - um caminho para o uso da nanoestrutura também pela computação quântica.

       “Mesmo após dias nós observamos precisamente o mesmo arranjo de fluxons - uma estabilidade de longo prazo que é particularmente surpreendente para um sistema quântico,” disse Zechner.

       A equipe agora planeja fabricar nanoestruturas mais sofisticadas, que permitirão a transferência sistemática de fluxons de uma armadilha para a outra. Este deverá ser outro passo pioneiro rumo ao desenvolvimento de circuitos de computador baseados em quasipartículas e materiais supercondutores.

Bibliografia: Hysteretic Vortex-Matching Effects in High-Tc Superconductors with Nanoscale Periodic Pinning Landscapes Fabricated by He Ion-Beam Projection. G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig. Physical Review Applied. Vol.: 8, 014021. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fluxons-abrem-caminho-processador-supercondutor&id=010110170808&ebol=sim

Primeira observação direta do movimento de vórtices em supercondutores (First direct observation and measurement of ultra-fast moving vortices in superconductors)

Esta foto mostra quatro imagens diferentes de vórtices que penetram a taxas de dezenas de GHz em um filme supercondutor de chumbo e que viajam a velocidades de até 20 km/s. As trajetórias do vórtice, que aparecem como linhas manchadas, mostram uma estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série de bifurcações em ramos. Cada imagem é feita em um campo magnético diferente e cada imagem é 12x12 μm². Crédito: Yonathan Anahory/Universidade Hebraica.

Pesquisadores fizeram a primeira observação visual direta e a medição da dinâmica de vórtices ultra-rápidos em supercondutores. Sua técnica, detalhada na revista Nature Communications, poderia contribuir para o desenvolvimento de novas aplicações práticas ao otimizar as propriedades supercondutoras para uso em eletrônica.

A supercondutividade, em geral, pode ser suprimida na presença de campos magnéticos, limitando a capacidade de uso desses materiais em aplicações da vida real. Uma certa família de supercondutores, chamada de tipo 2, pode suportar valores muito maiores de campos magnéticos. Isto é graças à sua capacidade de permitir que o campo magnético ‘atravesse’ o material de forma quantizada, em uma forma tubular local chamada de vórtice. Infelizmente, na presença de correntes elétricas, esses vórtices experimentam uma força e podem começar a se mover. O movimento dos vórtices provoca resistência elétrica, o que, novamente, representa um obstáculo para as aplicações.

Compreender quando e como os vórtices se moverão ou permanecerão localizados é o foco de muita pesquisa científica. Até agora, abordar a física dos vórtices em movimento rápido demonstrou ser extremamente desafiador, principalmente devido à falta de ferramentas adequadas.

Este filme mostra a dinâmica de vórtice conduzida por diferentes correntes. Em baixas correntes, os vórtices são estacionários e aparecem como pontos brilhantes. Em correntes maiores, os vórtices se movem a 20 km/s e aparecem nesta técnica como uma linha manchada. Crédito: Yonathan Anahory/Universidade Hebraica.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Prof. Eli Zeldov do Weizmann Institute of Science e o Dr. Yonathan Anahory, mostrou pela primeira vez como esses vórtices se movem em supercondutores e quão rápido eles podem viajar. Eles usaram uma nova técnica de microscopia chamada SQUID-on-tip, que permite a imagem magnética em alta resolução sem precedentes (cerca de 50 nm). A técnica foi desenvolvida na última década no Instituto Weizmann.

Usando este microscópio, eles observaram vórtices que fluem através de um filme supercondutor fino a taxas de dezenas de GHz e viajam a velocidades muito mais rápidas do que se pensava possível, até cerca de 72000 km/h (45000 mph). Isso não é apenas muito mais rápido do que a velocidade do som, mas também excede o limite de velocidade de quebra do condensado supercondutor, o que significa que um vórtice pode viajar 50 vezes mais rápido do que o limite de velocidade da supercorrente que o conduz. Isso seria como dirigir um objeto para viajar ao redor da Terra em pouco mais de 30 minutos.

Nas fotos e vídeos mostrados pela primeira vez, as trajetórias do vórtice aparecem como linhas manchadas cruzando de um lado a outro do filme. Isso é semelhante ao desfocar de imagens em fotografias de objetos em movimento rápido. Eles mostram uma estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série de bifurcações em ramos. Este fluxo de canal é bastante surpreendente, uma vez que os vórtices normalmente se repelem e tentam espalhar o máximo possível. Aqui os vórtices tendem a se seguir, o que gera a estrutura semelhante a uma árvore.

De frente para trás: Professor Eli Zeldov do Weizmann Institute of Science, Dr. Yonathan Anahory da Universidade Hebraica de Jerusalém e Dr. Lior Embon. Crédito: Weizmann Institute of Science.

          Uma equipe de físicos teóricos dos EUA e da Bélgica, liderada pelos professores Alexander Gurevich e Milorad Miloševic, explicou parcialmente essa descoberta pelo fato de que, quando um vórtice se move, a resistência aquece localmente o material, o que torna mais fácil os demais vórtices seguirem a mesma rota. “Este trabalho oferece uma visão da física fundamental da dinâmica de vórtices em supercondutores, crucial para muitas aplicações”, disse o Dr. Lior Embon, que era, na época, o estudante responsável por este estudo. “Essas descobertas podem ser essenciais para o desenvolvimento da eletrônica supercondutora, abrindo novos desafios para teorias e experiências na ainda inexplorada gama de campos e correntes eletromagnéticas muito altas".

“A pesquisa mostra que a técnica SQUID-on-tip pode abordar alguns problemas pendentes da supercondutividade sem equilíbrio, vórtices ultra-rápidos e muitos outros fenômenos magnéticos à escala nanométrica”, disse o Dr. Yonathan Anahory.

Além disso, os resultados das simulações sugerem que, através do desenho adequado da amostra e da remoção de calor melhorada, deve ser possível alcançar velocidades ainda maiores. Nesse regime, as frequências calculadas de penetração de vórtices podem ser ‘empurradas’ para o intervalo de freqüência de THz muito tecnicamente desejado.

A pesquisa descobre a rica física de vórtices ultra-rápidos em filmes supercondutores e oferece uma perspectiva ampla para novas investigações experimentais e teóricas. No futuro, essa tecnologia poderia permitir aos pesquisadores testar projetos que visam reduzir o movimento dos vórtices e melhorar as propriedades dos supercondutores.

Fonte1: https://phys.org/news/2017-07-ultra-fast-vortices-superconductors.html

Fonte2: L. Embon et al, Imaging of super-fast dynamics and flow instabilities of superconducting vortices, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-00089-3. Read more at: https://phys.org/news/2017-07-ultra-fast-vortices-superconductors.html#jCp

Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim