Primeiro supercondutor topológico usa partículas de Majorana como qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  05/03/2018

As placas de alumínio foram anexadas ao isolador topológico usando platina. A imagem mostra um dos dispositivos usados no experimento. Devido ao estresse, induzido por vários resfriamentos, apareceram saliências vistas claramente no intervalo do dispositivo. Isto faz com que as características dos pares supercondutores de elétrons variem em diferentes direções, uma assinatura de supercondutividade não-convencional. [Imagem: Chalmers University]

Os férmions de Majorana nem bem saíram da teoria e já começam a ajudar a computação quântica a combater um dos seus principais problemas: a decoerência, que é a perda dos dados que ocorre quando a interferência externa faz com que os qubits decaiam de seus estados quânticos entrelaçados ou superpostos.

Com sua insensibilidade característica à decoerência, essas partículas de Majorana estão se tornando o centro das atenções para a construção de qubits estáveis - a Microsoft está tentando desenvolver esse tipo de computador quântico.

As partículas de Majorana são partículas fundamentais que, assim como os elétrons, nêutrons e prótons, pertencem ao grupo dos férmions. Elas podem ser entendidas de forma muito simplificada como um “meio elétron”. E, ao contrário de todos os outros férmions, os férmions de Majorana são sua própria antipartícula.

O problema é que eles só ocorrem em circunstâncias muito especiais, o que explica porque, mesmo previstos por Ettore Majorana em 1937, só foram demonstrados na prática em 2012.

Agora, os pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Chalmers, na Suécia, conseguiram fabricar um componente capaz de hospedar as partículas de Majorana, o que significa que torna-se possível usá-las na prática.

Nos materiais de estado sólido, os férmions de Majorana só parecem ocorrer nos chamados supercondutores topológicos - um tipo de supercondutor que é tão novo e especial que pode-se dizer que não haviam provas inequívocas de que ele existisse de verdade.

Sophie Charpentier e seus colegas estão entre os primeiros grupos de pesquisa no mundo a divulgar resultados experimentais indicando que eles realmente conseguiram fabricar um supercondutor topológico.

A equipe começou trabalhando com um isolante topológico - que não é supercondutor - feito de telureto de bismuto (Be₂Te₃). Um isolante topológico é basicamente um isolador, ou seja, não conduz corrente elétrica em seu interior - contudo, ele conduz a corrente na sua superfície.

O segredo do supercondutor topológico está na camada na junção dos materiais. [Imagem: Sophie Charpentier et al. - 10.1038/s41467-017-02069-z]

Sobre o isolante topológico, a equipe usou platina para adicionar uma camada de um supercondutor convencional por cima, neste caso o alumínio, que conduz a corrente totalmente sem resistência a temperaturas muito baixas.

Enquanto fazia testes e medições, a equipe precisou resfriar o material várias vezes e esses ciclos de resfriamento repetidos parecem ter gerado tensões no material, o que fez com que a supercondutividade alterasse suas propriedades.

“Os pares de elétrons supercondutores passaram a vazar para o isolante topológico, que também se torna supercondutor,” explicou o professor Thilo Bauch. E esse comportamento representa a característica típica de um supercondutor topológico, onde os férmions de Majorana sentem-se à vontade para não se destruírem mutuamente.

“Para aplicações práticas, o material é principalmente de interesse para aqueles que estão tentando construir um computador quântico topológico. Nós queremos explorar a nova física que se esconde nos supercondutores topológicos - este é um novo capítulo da física,” disse a professora Floriana Lombardi, coordenadora da equipe.

Bibliografia
Induced unconventional superconductivity on the surface states of Bi2Te3 topological insulator. Sophie Charpentier, Luca Galletti, Gunta Kunakova, Riccardo Arpaia, Yuxin Song, Reza Baghdadi, Shu Min Wang, Alexei Kalaboukhov, Eva Olsson, Francesco Tafuri, Dmitry Golubev, Jacob Linder, Thilo Bauch, Floriana Lombardi. Nature Communications. Vol.: 8, Article number: 2019. DOI: 10.1038/s41467-017-02069-z.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=primeiro-supercondutor-topologico-fermions-majorana-qubits-nao-perdem-dados&id=010110180305&ebol=sim

Os físicos encontraram pistas sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura (Physicists find clues to the origins of high-temperature superconductivity)

Conversão entre correlações de elétrons incoerentes e coerentes nos estados não supercondutor e supercondutor de cupratos, respectivamente. Crédito: Li et al. Nature Communications.

Desde a descoberta dos cupratos em 1986, têm havido confusão entre os pesquisadores. Os cupratos possuem temperaturas críticas de até 138K à pressão ambiente, o que excede a de outros supercondutores e é ainda maior do que o que se pensava possível com base na teoria.

Agora, em um novo estudo, os pesquisadores descobriram a existência de um ciclo de feedback positivo que aumenta a supercondutividade dos cupratos e pode lançar luz sobre as origens da supercondutividade de alta temperatura - considerada uma das questões mais importantes abertas na física.

O mecanismo decorre do fato de que os elétrons (no cuprato) no estado não supercondutor estão correlacionados de forma diferente do que na maioria dos outros sistemas, inclusive em supercondutores convencionais, que possuem correlações de elétrons fortemente coerentes. Em contrapartida, os cupratos em seu estado não supercondutor possuem correlações “metálico-estranhas” fortemente incoerentes, que são parcialmente removidas ou enfraquecidas quando os cupratos se tornam supercondutores.

Devido a estas correlações de elétrons incoerentes, acredita-se amplamente que o quadro que descreve a supercondutividade convencional - que se baseia na noção de quasipartículas - não pode descrever com precisão a supercondutividade dos cupratos. Na verdade, algumas pesquisas sugerem que os cupratos supercondutores possuem propriedades eletrônicas tão incomuns que, mesmo tentando descrevê-las com a noção de partículas de qualquer tipo, torna-se inútil.

Isso leva à questão de qual papel, se houver, as correlações “metálico-estranhas” desempenham na supercondutividade de alta temperatura?

O resultado principal do novo estudo é que essas correlações simplesmente não desaparecem no estado supercondutor em cupratos, mas sim converte-se em correlações coerentes que levam a um aprimoramento do emparelhamento de elétrons supercondutores. Este processo resulta em um ciclo de feedback positivo, no qual a conversão das correlações “metálico-estranhas” incoerentes em um estado coerente aumenta o número de pares de elétrons supercondutores, o que, por sua vez, leva a mais conversão, e assim por diante.

Os pesquisadores descobriram que, devido a este mecanismo de feedback positivo, a força das correlações de elétrons coerentes no estado supercondutor é sem precedentes, superando o que é possível para os supercondutores convencionais. Uma interação de elétrons tão forte também abre a possibilidade de que a supercondutividade nos cupratos possa ocorrer devido a um mecanismo de emparelhamento completamente não convencional - um mecanismo de emparelhamento puramente eletrônico que poderia surgir unicamente devido a flutuações quânticas.

“Nós descobrimos experimentalmente que as correlações de elétrons incoerentes no ‘estado normal’ do metal estranho são convertidas em correlações coerentes no estado supercondutor que ajudam a fortalecer a supercondutividade, com um loop de feedback positivo subseqüente”, afirma Dan Dessau, co-autor da pesquisa. “Um loop de feedback positivo tão forte deve fortalecer os mecanismos de emparelhamento mais convencionais, mas também pode permitir um mecanismo de emparelhamento verdadeiramente não convencional (puramente eletrônico)”.

Surpreendentemente, os pesquisadores também descobriram que poderiam descrever seus resultados experimentais usando uma abordagem semi-convencional de quase partículas, apesar do fato de que os cupratos se comportam de forma tão diferente dos outros materiais.

No futuro, os pesquisadores planejam investigar se este mecanismo de feedback positivo pode ser integrado em outros materiais, talvez levando a novos tipos de supercondutores de alta temperatura.

“Nós podemos procurar loops de feedback positivos semelhantes em materiais relacionados, e também podemos usar as técnicas recém-desenvolvidas baseadas em ARPES para investigar os detalhes das correlações eletrônicas de forma mais precisa”, disse Li.

Fonte: https://phys.org/news/2018-01-physicists-clues-high-temperature-superconductivity.html

Intel apresenta processador quântico com 49 qubits

Redação do Site Inovação Tecnológica -  22/01/2018

Processadores quânticos da Intel: com 7, 17 e, agora, à direita, com 49 qubits supercondutores. [Imagem: Walden Kirsch/Intel]

A Intel apresentou um processador quântico de 49 qubits, acertando em cheio o limite teórico que vem colocando entraves para os computadores e simuladores quânticos.

O processador foi batizado de Tangle, em homenagem a um lago de mesmo nome no Alasca e uma referência à temperatura criogênica que os qubits supercondutores precisam para funcionar.

Como existem vários desafios para a miniaturização dos qubits supercondutores, a Intel anunciou também que está fazendo progressos nos qubits de spin, nos quais as informações são guardadas na direção de rotação de elétrons individuais, um campo onde computação quântica e spintrônica se confundem.

Os qubits spintrônicos se parecem com um transístor que opera com um único elétron, sendo similares em vários aspectos aos transistores convencionais. Isso significa que eles podem ser miniaturizados usando a tecnologia tradicional da microeletrônica e serem fabricados por processos comparáveis. A Intel anunciou que já desenvolveu um fluxo de fabricação de qubits de spin usando sua tecnologia de processo de 300 mm.

Infelizmente, a empresa não deu quaisquer detalhes sobre o desempenho do seu processador com qubits supercondutores e nem adiantou com quantos qubits de spin seus engenheiros estão trabalhando. Sem informações, analistas da indústria acreditam ser seguro dizer que outros participantes dessa corrida pela computação quântica, como IBM e Google, estão à frente.

A gigante dos processadores eletrônicos, às voltas com um bug que deverá lhe custar milhões de dólares na Justiça, achou melhor desconversar: “Acreditamos que serão necessários de cinco a sete anos antes que a indústria consiga lidar com os problemas de engenharia e provavelmente será necessário um milhão ou mais qubits para obter relevância comercial,” disse Mike Mayberry, diretor do Intel Labs.

Segundo a empresa, um processador quântico de teste de 49 qubits é um marco importante porque permitirá avaliar e melhorar as técnicas de correção de erros e simular problemas computacionais reais.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=intel-apresenta-processador-quantico-49-qubits&id=010150180122#.Wmth1qinGyI

Pesquisa abre rota para a supercondutividade fotônica

Resultado de experimentos no Departamento de Física, achado inédito foi saudado pela comunidade científica internacional

Aparato de detecção do par de fótons: observação em temperatura ambiente Cassiano Rabelo / UFMG

O fenômeno conhecido como Par de Cooper, em que elétrons se agrupam aos pares, condição que elimina a resistência elétrica e transforma materiais em supercondutores, foi detectado também em fótons, por pesquisadores da UFMG, em parceria com teóricos da Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ). O trabalho teve grande repercussão internacional, uma vez que abre campo para estudos sobre supercondutividade fotônica, capaz de ser alcançada em temperatura ambiente, ao passo que a eletrônica é obtida em condições extremas e de difícil reprodução.

O artigo Photonic counterparts of Cooper Pairs, publicado neste mês na revista de maior prestígio entre físicos – Physical Review Letters –, confirma a repetição do resultado em testes com mais de uma dezena de materiais, entre os quais, água, vidro, quartzo e diamante. O trabalho, abordado em matéria de capa da edição 2.001 do Boletim UFMG, é fruto de investigações que geraram a tese de Filomeno de Aguiar Júnior e a dissertação de Arthur Patrocínio Pena, sob orientação do professor Ado Jorio, do Departamento de Física da UFMG.

Cauteloso com o achado, Ado Jorio ressalta que o efeito obtido na supercondutividade eletrônica decorre de milhões de pares de elétrons naquele estado, capazes de produzir grandes campos magnéticos, com aplicações macroscópicas. “Utilizando dois detectores ultrassensíveis, conseguimos provar que os fótons estavam sendo gerados e se propagando em pares, mas medimos pares de Cooper ainda isolados, não agrupados aos milhares”, explica.

Além disso, pondera o coordenador do grupo, embora a supercondutividade eletrônica tenha aplicações de alto impacto, a exemplo de aparelhos de ressonância magnética e alguns trens de alta velocidade, ainda não é possível saber se uma supercondutividade de fótons teria aplicações tão relevantes. Segundo ele, é cedo para pensar em efeitos como supertransparência e supercondutividade luminosa.

Repercussão 

O trabalho, entretanto, foi recebido com entusiasmo pela comunidade científica. Tão logo foi divulgado pelo Massachusetts Institute of Technology (MIT), dos Estados Unidos, às vésperas da publicação, o artigo repercutiu em periódicos de alto impacto como Nature, Science e Russia News Today. A versão francesa da enciclopédia Wikipedia acrescentou resultados do artigo ao verbete Supraconductivité, em que indaga se existe um equivalente fotônico para a supercondutividade.

“Constatamos que a observação dos pares fotônicos à temperatura ambiente exige condições específicas, isto é, em materiais com átomos leves e ligações muito fortes, como aqueles que contêm carbono”, diz o pesquisador. Segundo ele, os componentes dos pares, tanto os eletrônicos quanto os de fótons, têm de trocar informações entre si por meio de vibração. Se o meio está vibrando demais, é como se houvesse muito ruído no sistema, o que atrapalha a comunicação. Por isso, na supercondutividade de elétrons, é preciso ter temperaturas baixíssimas, mais de 100 graus abaixo de zero, o que equivale a baixa vibração e, portanto, pouco ruído. 

Desse modo, as condições para a supercondutividade elétrica são muito restritas – não é possível, por exemplo, ter em casa uma rede elétrica de supercondutores, porque não existe supercondutor à temperatura ambiente. “Os materiais supercondutores usam nitrogênio líquido, alguns precisam de hélio líquido, sistemas que funcionam a baixíssimas temperaturas, isto é, uma condição muito extrema, muito difícil de ser obtida”.

Embora o fenômeno fotônico possa ser observado até em temperatura ambiente, por enquanto, as descobertas feitas pelo grupo brasileiro abrem mais questionamentos do que campos de aplicação, afirma Ado Jorio. “Pelo estágio de desenvolvimento do trabalho, ainda não se deve superdimensionar o efeito”, pondera. Ele acrescenta, entretanto, que a divulgação do artigo abre uma corrida entre grupos de pesquisa de todo o mundo, para fazer avançar o conhecimento sobre o assunto. “Provavelmente muita gente vai trabalhar nesse tema, iniciado com uma pesquisa totalmente brasileira”, afirma. A aquisição dos equipamentos usados nos experimentos foi viabilizada por financiamento da Finep, do CNPq e da Fapemig.

Ado Jorio explica que o trabalho resulta de projeto de união de duas áreas da Física: ótica quântica e ciência de materiais. “São dois campos muito distintos que, quando conversam, produzem grandes novidades”, afirma. 

Artigo: Photonic counterparts of Cooper Pairs
Revista: Physical Review Letters 

Autores: Ado Jorio e Carlos Henrique Monken (professores da UFMG), Filomeno de Aguiar Júnior e Arthur Patrocínio Pena (alunos da UFMG), André Saraiva, Reinaldo de Melo e Souza, Marcelo F. Santos e Belita Koiller (UFRJ)

Fonte: https://ufmg.br/comunicacao/noticias/pesquisa-da-fisica-abre-caminho-para-estudos-sobre-supercondutividade-fotonica

Supercondutividade deve-se ao nióbio, não ao seu composto

Com informações da Agência Fapesp -  28/11/2017

Os filamentos de coloração branca correspondem à fase minoritária, com cerca de 98% de nióbio e 2% de boro, responsável pela supercondutividade. Já as regiões acinzentadas, em maior fração volumétrica, correspondem ao monoboreto de nióbio propriamente dito.[Imagem: F. Abud et al. - 10.1103/PhysRevMaterials.1.044803]

        Por mais de 65 anos, um composto de nióbio e boro, chamado monoboreto de nióbio (NbB), foi considerado um exemplo clássico de um material supercondutor, um material no qual a corrente elétrica flui livremente, com resistência virtualmente zero.

        Mas esse "conhecimento", registrado nos manuais de física da matéria condensada e em inúmeros artigos científicos especializados, foi agora contestado por pesquisadores das universidades de São Paulo (USP) e Estadual de San Diego (EUA).

        Os físicos descobriram que a supercondutividade detectada no material não é produzida pelo próprio monoboreto de nióbio (NbB), mas por filamentos de nióbio quase puro que margeiam os grãos microscópios do material.

        “Sabemos que o elemento nióbio (Nb), sozinho, apresenta supercondutividade quando resfriado a temperaturas muito baixas, da ordem de 9,2 Kelvin (K). Agora, descobrimos que isso não ocorre com o monoboreto de nióbio (NbB) propriamente dito. Ocorre que, nas amostras de NbB, existe uma grande fração volumétrica de NbB, mas também uma pequena quantidade de Nb quase puro. São duas fases cristalinas distintas que coexistem nos materiais estudados. É essa fase minoritária, composta por aproximadamente 98% de nióbio e 2% de boro, que se comporta como supercondutora,” explica o professor Renato de Figueiredo Jardim.

        Os pesquisadores observaram que, mesmo ocorrendo em uma pequena fração volumétrica, a fase minoritária (Nb_0,98B_0,02) é supercondutora e forma uma rede tridimensional através da qual a corrente elétrica pode transitar de uma extremidade a outra do material.

        É muito provável que essa característica tenha confundido os descobridores originais da supercondutividade no NbB, levando-os a atribuir a supercondutividade abaixo de aproximadamente 9 Kelvin a esse composto.

        “Identificamos claramente essa estrutura reticular por meio da microscopia eletrônica de varredura. Essa evidência visual foi, por assim dizer, uma prova qualitativa da propriedade. Mas não podíamos sustentar a nossa hipótese apenas neste ponto. Era preciso ir adiante, buscando também uma prova quantitativa, e foi isso que fizemos, aplicando um modelo termodinâmico aos dados tomados nos materiais estudados. Por meio dele, obtivemos então a comprovação procurada,” explicou Jardim.

        Segundo o pesquisador, não há, atualmente, expectativa de aplicação tecnológica para o monoboreto de nióbio. “Mas existe um 'primo' dele, o diboreto de magnésio (MgB₂), que passou a despertar grande interesse desde o início da década passada. Pode ser que nossa pesquisa venha contribuir para sua aplicação tecnológica”, disse.

        Do ponto de vista macroscópico, a supercondutividade é uma propriedade exibida por certos materiais que, abaixo de uma dada temperatura, passam a conduzir corrente elétrica sem nenhuma perda de energia, isto é, sem resistência elétrica.

        “Concomitantemente a essa propriedade macroscópica existe outra propriedade, também macroscópica, que é o chamado 'diamagnetismo perfeito',” disse Jardim. Essa segunda propriedade faz com que um supercondutor, na presença de um campo magnético, expulse todo o fluxo magnético do seu interior.

        O diamagnetismo está presente em todos os materiais. Porém, é muitas vezes tão fraco que sua manifestação fica encoberta pela presença de outras respostas magnéticas mais robustas, como o ferromagnetismo - que faz o material ser atraído pelo campo magnético externo - e o paramagnetismo - que faz os dipolos magnéticos atômicos se alinharem paralelamente ao campo magnético externo.

        Quando a resposta diamagnética é suficientemente forte, como ocorre nos supercondutores, a repulsão provocada pelo campo magnético pode fazer o material levitar, um fenômeno explorado por alguns trens de alta velocidade.

Bibliografia:

Absence of superconductivity in NbB. F. Abud, L. E. Correa, I. R. Souza Filho, A. J. S. Machado, M. S. Torikachvili, R. F. Jardim. Physical Review Materials. Vol.: 1, 044803. DOI: 10.1103/PhysRevMaterials.1.044803.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutividade-deve-se-niobio-nao-seu-composto&id=010160171128#.Wi63h9-nGyI

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