Geladeira supercondutora chegará perto do zero absoluto

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/07/2019

Em vez de um refrigerante que oscila entre os estados líquido e gasoso, o refrigerador quântico emparelha e desemparelha os pares de elétrons em materiais supercondutores. [Imagem: Michael Osadciw/Universidade de Rochester]

Refrigerador definitivo

Imagine uma geladeira tão fria que possa levar átomos aos seus estados fundamentais, perto do zero absoluto. Sreenath Manikandan e colegas dos EUA e da Itália conceberam um refrigerador com essa capacidade usando as propriedades da supercondutividade. Eles batizaram o equipamento de “geladeira quântica” porque tanto as propriedades da supercondutividade utilizadas, quanto os efeitos gerados nos átomos individuais assim congelados, são ditados pela mecânica quântica.

O ambiente ultrafrio produzido é propício para gerar os efeitos necessários para aprimorar as tecnologias quânticas, por exemplo, tentando levar diferentes materiais para seu estado supercondutor, ou testando qubits para avaliar as melhores tecnologias para os futuros computadores quânticos.

Geladeira comum

Embora os refrigeradores quânticos supercondutores não sirvam para uso na cozinha, seu princípio operacional é bastante semelhante: as geladeiras tradicionais não funcionam tornando seu conteúdo mais frio, mas removendo o calor, tirando-o de seu interior e levando-a para outra região no espaço, neste caso, o lado de fora da geladeira.

Isto é feito movendo um fluido - o refrigerante - entre reservatórios quentes e frios, e mudando seu estado de líquido para gasoso. O refrigerante em estado líquido passa por uma válvula de expansão, que diminui sua pressão e temperatura à medida que a expansão o faz passar para o estado gasoso. O refrigerante agora frio passa através dos canos em formato de bobina do evaporador no interior da caixa da geladeira, absorvendo o calor desse ambiente fechado. O refrigerante é então novamente comprimido por um compressor alimentado por eletricidade, elevando ainda mais sua temperatura e pressão e transformando-o de um gás em um líquido quente. O líquido quente condensado, mais quente que o ambiente externo, flui através das serpentinas do condensador na parte externa da geladeira, irradiando calor para o meio ambiente. O líquido então reentra na válvula de expansão e o ciclo se repete.

Como se poderia esperar, o refrigerador quântico é minúsculo, do tamanho de um chip, mas o suficiente para guardar suas partículas atômicas e subatômicas. [Imagem: Manikandan et al. - 10.1103/PhysRevApplied.11.054034]

Geladeira quântica supercondutora

A geladeira supercondutora é parecida. No entanto, em vez de um refrigerante que passa de um estado líquido para gasoso, ela usa os chamados pares de Cooper - elétrons que viajam emparelhados e parecem explicar o próprio fenômeno da supercondutividade - fazendo-os emparelhar e desemparelhar.

“Estamos fazendo exatamente a mesma coisa que uma geladeira tradicional, mas com um supercondutor,” explicou Manikandan.

Em vez de serpentinas, válvulas e um compressor, tudo acontece em uma pilha de metais dispostos em camadas, colocados dentro de uma geladeira de diluição criogênica, já fria.

A camada inferior da pilha é uma folha de nióbio supercondutor, que funciona como um reservatório quente, semelhante ao ambiente externo de um refrigerador tradicional. A camada intermediária é tântalo supercondutor, que é a substância de trabalho, semelhante ao refrigerante da geladeira tradicional. A camada superior é de cobre, que é o reservatório frio, semelhante ao interior da geladeira tradicional.

Quando uma corrente elétrica é aplicada paulatinamente ao nióbio, produz-se um campo magnético que penetra na camada de tântalo, fazendo com que seus elétrons supercondutores se emparelhem, fazendo a transição para seu estado normal e perdendo calor. A camada de tântalo agora fria absorve o calor da camada de cobre, que se torna mais quente.

O campo magnético é então lentamente desligado, fazendo com que os elétrons no tântalo se emparelhem e voltem a se transformar em um estado supercondutor, e o tântalo fica mais quente que a camada de nióbio. O excesso de calor é então transferido para o nióbio. O ciclo se repete, mantendo uma temperatura baixa na camada superior de cobre.

Mas como a substância de trabalho no refrigerador quântico é um supercondutor, “são os pares de Cooper no cobre que desemparelham e ficam mais frios quando você aplica um campo magnético lentamente a temperaturas muito baixas, levando o atual refrigerador de última geração [a geladeira de diluição criogênica] a um patamar fundamental e arrefecendo-a ainda mais,” explicou Manikandan.

Utilidades do refrigerador quântico supercondutor

Em vez de armazenar alimentos, a geladeira quântica supercondutora poderá ser usada para armazenar coisas como qubits, as unidades básicas dos computadores quânticos, que precisam ser superfrios para não sofrerem interferências e perderem os dados.

Essa geladeira também será útil para resfriar sensores quânticos, que medem a luz de forma muito eficiente e são fundamentais em sensores muito delicados, como os usados nos telescópios, ou para fazer imagens de tecidos profundos usando aparelhos de ressonância magnética.

Bibliografia

Artigo: Superconducting Quantum Refrigerator: Breaking and Rejoining Cooper Pairs with Magnetic Field Cycles
Autores: Sreenath K. Manikandan, Francesco Giazotto, Andrew N. Jordan.

Revista: Physical Review Applied.

Vol.: 11, 054034.

DOI:10.1103/PhysRevApplied.11.054034.

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=geladeira-supercondutora-chegara-perto-zero-absoluto&id=010170190710&ebol=sim#.XTMdEehKiDJ

Novo qubit robusto promete processador quântico em escala industrial

Redação do Site Inovação Tecnológica -20/05/2019

Foto do protótipo e esquema do qubit baseado nos férmions de Majorana. [Imagem: Antonio Fornieri/Universidade de Copenhagen]

Qubit plano

Uma equipe da Dinamarca e dos EUA, liderada pelo professor Antonio Fornieri, construiu um chip de memória quântica que promete facilitar a fabricação dos computadores quânticos em larga escala.

Vários grupos estão tentando há anos construir um protótipo de computador quântico que a indústria possa escalonar, mas os blocos fundamentais da computação quântica, os qubits, ainda não são robustos o suficiente para funcionar no ambiente cheio de ruído de um computador de grande porte.

Uma teoria desenvolvida há apenas dois anos propôs uma maneira de tornar os qubits mais resilientes mediante uma combinação de um semicondutor, o arseneto de índio, com um supercondutor, o alumínio, em um dispositivo planar.

Agora, essa teoria foi confirmada experimentalmente e, melhor ainda para o escalonamento dos qubits, em um componente plano, como as bolachas de silício usadas para fizer os chips atuais, e robusto, graças às propriedades protetoras da combinação do semicondutor com o supercondutor.

“Nosso protótipo é um primeiro passo significativo no uso deste tipo de sistema para fazer bits quânticos que são protegidos contra perturbações. No momento, ainda precisamos de alguns ajustes - podemos melhorar o projeto e os materiais. Mas é uma estrutura potencialmente perfeita,” afirmou Fornieri.

Qubit de Majorana

O alumínio e o arseneto de índio formaram um dispositivo, chamado junção Josephson, capaz de acomodar partículas de Majorana, que já se previra possuírem proteção topológica contra a decoerência - a decoerência é o fenômeno que marca a perda dos dados registrados em um qubit.

São os chamados férmions de Majorana de modo zero, quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores topológicos, que funcionam como qubits tolerantes a falhas e imunes a ruídos.

Também se sabia que o alumínio e o arseneto de índio funcionam bem juntos porque uma supercorrente pode fluir entre eles, uma vez que, diferentemente da maioria dos semicondutores, o arseneto de índio não possui uma barreira que impeça que os elétrons de um material entrem em outro. Desta forma, a supercondutividade do alumínio pode fazer as camadas superiores do arseneto de índio, que é um semicondutor, funcionarem como supercondutoras - por isso se diz que ele é um supercondutor topológico.

Agora falta montar o qubit plano junto a um processador quântico para checar sua robustez e, se tudo der certo, começar a fabricá-lo em larga escala.

Hoje, trilhões de transistores, as unidades básicas dos processadores eletrônicos, são postos nas pastilhas planas de silício. A expectativa é que o mesmo torne-se realidade para os computadores quânticos, com milhões de qubits operando harmoniosamente em dispositivos miniaturizados e fabricados em escala industrial.

Bibliografia:

Evidence of Topological Superconductivity in Planar Josephson Junctions. Antonio Fornieri, Alexander M. Whiticar, F. Setiawan, Elías Portolés, Asbjørn C. C. Drachmann, Anna Keselman, Sergei Gronin, Candice Thomas, Tian Wang, Ray Kallaher, Geoffrey C. Gardner, Erez Berg, Michael J. Manfra, Ady Stern, Charles M. Marcus, Fabrizio Nichele.
Nature, Vol.: 569, pages 89-92.

DOI: 10.1038/s41586-019-1068-8

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=novo-qubit-robusto-promete-processador-quantico-escala-industrial&id=010110190520&ebol=sim#.XOtAv4hKiDI

Impulsionando a supercondutividade para temperatura ambiente

Eva Zurek , Departamento de Química, Universidade de Buffalo, SUNY, Buffalo NY, EUA

Dois estudos independentes relatam a supercondutividade a temperaturas recordes em materiais ricos em hidrogênio sob extrema pressão.

Figura 1. Esquema (à esquerda) da bigorna de diamante usada para estudar o comportamento do LaH₁₀ sob alta pressão. (Direita) Esboço da estrutura cristalina em forma do LaH₁₀ responsável pela supercondutividade de alta temperatura observada por Hemley[2] e Eremets[3]. (Esquerda) APS/Alan Stonebraker; (Direita) E. Zurek, adaptado por APS/Alan Stonebraker.

     Em 2015, a compressão do sulfeto de hidrogênio a 150GPa, ou cerca de 40% da pressão encontrada no núcleo da Terra, rendeu um supercondutor de 203K [1]. Notavelmente, dois grupos independentes [2,3] relataram experimentos indicando que um hidreto de lantânio comprimido a 170-185GPa tem uma temperatura crítica de 250-260K [2,3].

     Em 1968, o físico Neil Ashcroft previu que o hidrogênio metálico deveria ter todas as propriedades necessárias para ser um supercondutor de alta temperatura, de acordo com a teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) [4]. Infelizmente, a metalização do hidrogênio em experimentos de compressão mostrou-se extremamente difícil. Ashcroft previu ainda que certos sólidos ricos em hidrogênio poderiam se tornar metálicos a pressões mais baixas do que o hidrogênio elementar e que eles teriam as mesmas propriedades da supercondutividade de alta temperatura [5]. Essa hipótese catalisou a busca pela supercondutividade em hidretos sob altas pressões.

     Para estudar a supercondutividade nesses materiais sob gigantescas pressões, os pesquisadores precisam realizar experimentos em bigornas de diamante. Esses experimentos são caros, tecnicamente desafiadores e podem ser difíceis de interpretar. Além disso, as fases do material que são estáveis ​​sob alta pressão podem ser diferentes daquelas que sabemos ocorrer em condições atmosféricas. Como resultado, os cálculos baseados em mecânica quântica tornaram-se extremamente importantes para orientar esses experimentos, em particular por meio da identificação de compostos promissores [6].

     Na última década, essas técnicas teóricas e computacionais se concentraram em hidretos binários. Pesquisadores calcularam valores extremamente altos, alguns até superando a temperatura ambiente para hidretos contendo metais alcalino-terrosos ou metais de terras raras [7]. Em 2017, grupos liderados por Hemley [8] e Yanming Ma [9] previram que certos hidretos de terras raras com uma grande relação hidrogênio-metal se tornariam estáveis ​​a pressões alcançáveis ​​em bigornas de diamante. Esses materiais ricos em hidrogênio têm estruturas cristalinas que lembram as estruturas semelhantes a gaiolas. Um dos hidretos mais promissores, o hidreto de lantânio (LaH₁₀), consiste de uma rede de hidrogênio feita de poliedros com faces quadradas ou hexagonais, com um átomo de metal de terras raras situado no centro de cada poliedro. Assumindo que este sistema pode ser descrito pela teoria BCS, os pesquisadores previram a sua temperatura crítica situada entre 270 e 290K a 200GPa [8,9].

     No início de 2018, o grupo de Hemley conseguiu sintetizar o LaH₁₀ [10]. Agora, as equipes de Hemley [2] e Eremet [3] relataram assinaturas experimentais da supercondutividade no LaH₁₀ sob pressões extremas. Para medir com precisão a resistência elétrica, os grupos tiveram que garantir contatos confiáveis ​​entre a amostra e os eletrodos e controlar as composições e condições da amostra (por exemplo, impedindo a formação de fases adicionais). O grupo de Hemley desenvolveu uma nova técnica de síntese na qual o LaH₁₀ foi produzido in situ usando borano de amônia (NH₃BH₃) como fonte de hidrogênio. À medida que a amostra foi resfriada sob uma pressão de 185GPa, eles observaram uma queda dramática da resistência elétrica que indicou uma Tc de 260K. Um segundo conjunto de experimentos sugeriu que a Tc poderia chegar a 280K sob pressão de 200GPa. Medições de difração de raios-X sugeriram que a fase supercondutora poderia ser o LaH₁₀ e descartou a possibilidade de que a queda de resistência elétrica tenha sido causada por uma transição estrutural induzida pela temperatura.

     A equipe de Eremets sintetizou o hidreto através de uma reação direta de lantânio elementar ou trihidreto de lantânio (LaH₃) e hidrogênio. Eles observaram quedas acentuadas na resistência, da qual derivaram a Tc em função da pressão. Para o LaH₁₀, o mais alto valor da Tc, 250K, foi medido a 170GPa. Outra fase não identificada do hidreto, que coexistiu com o LaH₁₀ na mesma amostra, exibiu uma Tc de 215K [11]. A equipe de Eremets também observou duas assinaturas características da supercondutividade. Primeiro, a aplicação de um campo magnético reduziu a Tc, como esperado para um supercondutor BCS tipo II. Segundo, a Tc exibiu o chamado efeito isotópico - diminuiu quando o hidrogênio foi substituído por deutério.

     Esses dados são fortemente sugestivos de supercondutividade, mas para provar isso sem sombra de dúvida, seria necessário observar o efeito Meissner - a expulsão de um campo magnético de um material quando ele se torna supercondutor. Medir este efeito é, no entanto, um desafio: para o recordista anterior da Tc, o sulfeto de hidrogênio, o efeito Meissner só foi demonstrado vários anos após a descoberta de sua supercondutividade. Uma vez que as amostras de hidreto de lantânio são significativamente menores do que as amostras do sulfeto de hidrogênio, demonstrar o efeito Meissner para o LaH₁₀ exigirá esforços experimentais substanciais.

     Mais trabalhos teóricos e experimentais serão necessários para identificar as múltiplas redes cristalinas contidas nas amostras. Os dados sugerem fortemente que uma delas é o LaH₁₀, mas a identidade das outras estruturas permanece desconhecida. Esta informação será essencial para compreender a relação entre a estrutura do cristal e a supercondutividade e, possivelmente, revelar novas fases supercondutoras que possam ter uma Tc ainda maior. E o alto valor da Tc do LaH₁₀ certamente motivará os experimentalistas a investigar sistemas similares, como o hidreto de ítrio, cuja previsão da Tc excede a temperatura ambiente [8,9].

     No campo da supercondutividade, a maioria das inovações foi inesperada, desafiando muitas vezes o conhecimento convencional da época. O caso do hidreto mostra que isso está mudando: cálculos teóricos podem ser usados para conceber racionalmente novos materiais que sejam de alta Tc, supercondutores do tipo BCS. Os avanços computacionais permitirão identificar outras espécies complexas que, ao contrário dos hidretos binários, como o LaH₁₀, pode permanecer estável quando descomprimido. E novas técnicas para a síntese e caracterização de cristais permitirão o teste experimental de previsões teóricas. Graças a esse ciclo de retroalimentação entre teoria e experimento, poderemos em breve ter um supercondutor que trabalhe próximo à temperatura ambiente e a pressões que poderiam ser alcançadas em dispositivos muito mais simples que as bigornas de diamante, como as prensas usadas para comprimir pós em comprimidos farmacêuticos.

Fonte: https://physics.aps.org/articles/v12/1

Referências

1. A. P. Drozdov, M. I. Eremets, I. A. Troyan, V. Ksenofontov, and S. I. Shylin, “Conventional superconductivity at 203 kelvin at high pressures in the sulfur hydride system,” Nature 525, 73 (2015).

2. M. Somayazulu, M. Ahart, A. K. Mishra, Z. M. Geballe, M. Baldini, Y. Meng, V. V. Struzhkin, and R. J. Hemley, “Evidence for superconductivity above 260 K in lanthanum superhydride at megabar pressures,” Phys. Rev. Lett. 122, 027001 (2019).

3. A. P. Drozdov et al., “Superconductivity at 250 K in lanthanum hydride under high pressures,” arXiv:1812.01561.

4. N. W. Ashcroft, “Metallic hydrogen: A high-temperature superconductor?,” Phys. Rev. Lett. 21, 1748 (1968).

5. N. W. Ashcroft, “Hydrogen dominant metallic alloys: High temperature superconductors?,” Phys. Rev. Lett. 92, 187002 (2004).

6. E. Zurek and W. Grochala, “Predicting crystal structures and properties of matter under extreme conditions via quantum mechanics: The pressure is on,” Phys. Chem. Chem. Phys. 17, 2917 (2015).

7. E. Zurek and T. Bi, “High-temperature superconductivity in alkaline and rare earth polyhydrides at high pressure: A theoretical perspective,” J. Chem. Phys. (to be published).

8. H. Liu, I. I. Naumov, R. Hoffmann, N. W. Ashcroft, and R. J. Hemley, “Potential high-Tc superconducting lanthanum and yttrium hydrides at high pressure,” Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 114, 6990 (2017).

9. F. Peng, Y. Sun, C. J. Pickard, R. J. Needs, Q. Wu, and Y. Ma, “Hydrogen clathrate structures in rare earth hydrides at high pressures: Possible route to room-temperature superconductivity,” Phys. Rev. Lett. 119, 107001 (2017).

10. Z. M. Geballe, H. Liu, A. K. Mishra, M. Ahart, M. Somayazulu, Y. Meng, M. Baldini, and R. J. Hemley, “Synthesis and stability of lanthanum superhydrides,” Angew. Chem. Int. Ed. 57, 688 (2018).

11. A. P. Drozdov, V. S. Minkov, S. P. Besedin, P. P. Kong, M. A. Kuzovnikov, D. A. Knyazev, and M. I. Eremets, “Superconductivity at 215 K in lanthanum hydride at high pressures,” arXiv:1808.07039.

Primeira turbina eólica supercondutora está pronta

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/09/2018

Tendo passado com êxito pelos testes em laboratório, o gerador supercondutor será instalado em sua torre até o final do ano. [Imagem: EcoSwing]

A primeira turbina eólica supercondutora do mundo será instalada na costa da Dinamarca até o final deste ano. A conquista é fruto do projeto ECOSWING, financiado pela União Europeia, e promete revolucionar a indústria de energia eólica através da implantação de geradores mais leves, mais econômicos e mais potentes.

Já testada com sucesso no laboratório, o teste de campo da turbina baseada em materiais sem resistência à corrente elétrica abrirá caminho para a implantação comercial da tecnologia na próxima geração de turbinas multimegawatts.

O protótipo é capaz de produzir cerca de 3 MW (megawatts) de eletricidade impulsionado por apenas duas pás.

A grande estrela da tecnologia é o gerador, que usa supercondutores de ‘alta temperatura’ - alta em relação aos primeiros supercondutores, que funcionavam perto do zero absoluto. Pesando 40% menos do que os geradores convencionais, a máquina de última geração requer menos material em sua fabricação e é mais econômica para construir, transportar e instalar.

“O consórcio ECOSWING teve sucesso no projeto, desenvolvimento e construção do primeiro gerador eólico supercondutor de múltiplos megawatts em escala real. Essa demonstração em um ambiente operacional real lançará as bases para um produto revolucionário que mudará a maneira como as turbinas eólicas operam e vai expandir muito o setor de energia eólica,”

disse Jürgen Kellers, que chefiou o projeto, um esforço que envolveu nove parceiros industriais e acadêmicos.

       Os geradores eólicos atuais funcionam como um dínamo tradicional, com ímãs permanentes rotativos dentro de um conjunto de bobinas de cobre. A rotação cria um campo magnético variável nas bobinas, o que gera uma corrente elétrica.

       No gerador supercondutor, os ímãs são substituídos por eletroímãs, bobinas de uma fita cerâmico-metálica que se torna supercondutora sob condições extremamente frias, obtidas pela contenção das bobinas dentro de um tambor de vácuo super-resfriado com uma pequena quantidade de gás criogênico.

       Nessa temperatura ultrafria, a eletricidade passa através das bobinas com quase nenhuma resistência, permitindo fluxos de energia 100 vezes maiores do que nos geradores comuns.

       A ausência de resistência elétrica significa que muito menos material, incluindo valiosos metais de terras raras, é necessário para fabricar um gerador supercondutor de alta temperatura para obter a mesma energia, resultando em reduções substanciais de custo e peso.

       Estas vantagens permitirão que as turbinas eólicas supercondutoras sejam fabricadas em escala maior. A equipe ECOSWING prevê futuros geradores supercondutores produzindo 10 MW ou mais.

Fonte: https://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=primeira-turbina-eolica-supercondutora-pronta-instalada&id=010115180910#.W9GmkmhKiDI

Cabos supercondutores batem recorde de potência

O cabo supercondutor de corrente contínua (direita), em comparação com um cabo supercondutor tradicional (esquerda).[Imagem: Best Paths/Divulgação]

As soluções tecnológicas para fios supercondutores estão estabelecendo novos recordes, abrindo caminho para sua adoção prática.

Um consórcio reunindo especialistas de 10 países europeus, de universidades e empresas privadas, apresentaram seu mais recente feito, um sistema de cabos supercondutores de corrente contínua que inclui isolantes e terminais de alta tensão.

O cabo supercondutor conduz até 3,2 GW de energia elétrica, o que é 500 vezes mais eletricidade do que se pode transmitir usando fios de cobre, e é um melhoramento significativo em relação ao cabo supercondutor apresentado pela mesma equipe em 2016.

“Pela primeira vez, projetamos um sistema de cabos supercondutores de alta tensão capaz de operar em corrente contínua, enquanto todos os projetos existentes lidam apenas com corrente alternada. A tarefa mais desafiadora é gerenciar a conexão entre o cabo e a rede existente usando terminais de alta voltagem. Isto irá definir os padrões do futuro para redes de alta tensão,” disse Christian Eric Bruzek, gerente do projeto.

Outra inovação da tecnologia supercondutora apresentada pelo consórcio é que o cabo é fabricado usando diboreto de magnésio como material supercondutor, que é mais barato de produzir do que materiais à base de ítrio, por exemplo, usado no recorde mundial de corrente elétrica batido por um supercondutor há alguns anos.

Detalhe do cabo supercondutor usado nos testes pela equipe alemã. [Imagem: ITEP/KIT]

A disponibilidade de novos cabos supercondutores de menor custo e alto desempenho também está sendo crucial para um projeto realizado na Alemanha, que pretende mudar a forma de interligação dos linhões, as grandes redes de distribuição que trazem a eletricidade das usinas, com as redes urbanas.

Engenheiros do Instituto Karlsruhe de Tecnologia já estão com um projeto pronto para usar cabos supercondutores subterrâneos para fazer o caminho final entre as torres de distribuição e as subestações urbanas.

A proposta do projeto Ensure é baseada em conceitos de cabos e sistemas de refrigeração - os cabos supercondutores funcionam a temperaturas criogênicas - especialmente projetados para a tensão de 380 kilovolts (kV).

“Este é um grande desafio técnico porque a tecnologia de supercondutor nunca foi usada antes neste nível de tensão,” explica o professor Mathias Noe, coordenador do projeto. “Demonstramos agora que isso é tecnicamente viável com nossos novos conceitos de cabos”.

O sistema de cabos está sendo projetado para uma potência contínua de 2.300 megawatts (MW). As perdas sob uma alta carga de corrente são significativamente menores do que as de uma linha acima do solo ou de cabos convencionais com condutores de cobre.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=cabos-supercondutores-batem-recorde-potencia&id=010115180806&ebol=sim#.W2s9JtJKiyI

Brasileiros avançam na compreensão da supercondutividade

Com informações da Agência Fapesp -  25/06/2018

Além de cabos supercondutores para transmissão de energia, há grande expectativa sobre os chips supercondutores.[Imagem: Sander Münster, Kunstkosmos]

Temperaturas dos supercondutores

Descoberto acidentalmente há mais de um século, o fenômeno da supercondutividade continua a prometer uma revolução tecnológica.

Foi em 1911, ao estudar o comportamento do metal mercúrio quando resfriado à temperatura de 4 K (-269 °C), que o físico holandês Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926) observou, pela primeira vez, a propriedade que alguns materiais possuem de conduzir a corrente elétrica sem resistência nem perdas, nas vizinhanças do zero absoluto.

Na década de 1980, o interesse pelo assunto se renovou quando se obteve experimentalmente a supercondutividade em temperaturas relativamente mais altas, da ordem de 90 K (-183 °C). Esse número tem sido superado de forma consistente: Em 2015, uma equipe alemã apresentou um supercondutor "quente" que trabalha a -70 °C.

Transição de Mott

Mas o que realmente motiva esse campo de pesquisas é a busca pela realização da supercondutividade a temperatura ambiente.

É nesse contexto que se insere um estudo realizado por físicos da Universidade Estadual Paulista (Unesp), em Rio Claro (SP), em colaboração com a Universidade Paris Sul, na França.

Em diversos materiais, a fase supercondutora se manifesta na proximidade da chamada 'fase isolante de Mott' [Nevill Francis Mott (1905-1996)]. A transição metal-isolante de Mott é uma mudança abrupta na condutividade elétrica que ocorre a uma dada temperatura quando a repulsão de Coulomb entre os elétrons se torna comparável à energia cinética dos elétrons livres.

"Quando a repulsão de Coulomb passa a ser relevante, os elétrons, antes itinerantes, se tornam localizados, minimizando assim a energia total do sistema. Essa localização eletrônica constitui a 'fase isolante de Mott'. Em alguns casos, um processo ainda mais exótico acontece. Devido às interações entre elétrons ocupando sítios vizinhos da rede, os elétrons se rearranjam na rede de maneira não homogênea. Ocorre, então, a chamada 'fase de ordenamento de carga'. Nosso estudo tratou desse tipo de fenômeno," explicou o professor Valdeci Pereira de Souza, coordenador da pesquisa.

Quando ocorre a fase de ordenamento de carga, a distribuição não homogênea das cargas, por vezes acompanhada de uma distorção da rede cristalina, faz com que o material passe a exibir uma polarização elétrica e, consequentemente, um comportamento ferroelétrico. É a chamada "fase ferroelétrica de Mott-Hubbard" [John Hubbard (1931-1980)].

Sais de Fabre

Para explorar experimentalmente essas fases exóticas, os pesquisadores da Unesp trabalharam com os chamados "sais de Fabre", materiais formados a partir de uma molécula orgânica, a TMTTF (tetrametiltetrathiafulvaleno), que apresenta uma configuração simétrica, com uma ligação dupla de carbono no centro e dois radicais metil de cada lado. O material foi estudado em um criostato, que permite alcançar um ponto frio e magnético, com temperatura de 1,4 Kelvin e campo de 12 Teslas.

"Com tal ferramenta experimental, nos propusemos não apenas a caracterizar materiais, embora isso seja importante, mas a investigar propriedades fundamentais da matéria, que se manifestam em condições extremas. Os sais de Fabre apresentam diagramas de fase extremamente ricos para quem empreende esse tipo de pesquisa. Os referidos sistemas moleculares já haviam sido explorados por meio de ressonância magnética nuclear, espectroscopia de infravermelho e outras técnicas. O que fizemos essencialmente foi medir sua constante dielétrica no regime de baixas frequências," disse Mariano.

Vale lembrar que a constante dielétrica varia de material para material e, embora seja uma grandeza macroscópica, nos diz quão polarizável um material pode ser.

      “Tendo em vista que os sais de Fabre são materiais altamente anisotrópicos, ou seja, com propriedades de transporte que dependem expressivamente da direção cristalográfica, quando o ordenamento de carga ocorre, temos a polarização elétrica de Mott-Hubbard ao longo da pilha de moléculas [TMTTF] que formam o material. Tal polarização é expressiva e já havia sido reportada na literatura em 2001. Em nosso novo trabalho, medimos pela primeira vez a contribuição iônica para a constante dielétrica nestes materiais. Verificamos que, à medida que se reduz a temperatura, a contribuição iônica também diminui dando lugar à fase de Mott-Hubbard. Esta foi uma observação nova, sem registro na literatura científica, uma contribuição genuinamente nossa,” finalizou Mariano.

Bibliografia:

Probing the ionic dielectric constant contribution in the ferroelectric phase of the Fabre salts. Mariano de Souza, Lucas Squillante, Cesar Sônego, Paulo Menegasso, Pascale Foury-Leylekian, Jean-Paul Pouget. Physical Review B. 

DOI: 10.1103/PhysRevB.97.045122
https://arxiv.org/pdf/1801.00626.pdf

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=brasileiros-avancam-compreensao-supercondutividade&id=010175180625#.W1IG-NJKiDI