A supercondutividade promove a magnetização (Superconductivity trained to promote magnetization)

Na spintrônica, a informação é codificada através do spin do elétron, o qual pode ser direcionado ao longo ou contra determinado eixo. Crédito: Universidade de Hamburgo

Sob certas condições, a supercondutividade, que é incompatível com o magnetismo, pode promover a magnetização. Natalya Pugach, pesquisador russo da Lomonosov Moscow State University, descobriu este efeito ainda não explicado com seus colegas britânicos, cujo grupo foi chefiado pelo Professor Matthias Eschrig. Eles sugerem que técnicas baseadas neste efeito podem acelerar futuros supercomputadores baseados na spintrônica.

A equipe estudou as interações entre a supercondutividade e a magnetização, a fim de compreender como controlar o spin dos elétrons. Na microeletrônica tradicional, a informação é codificada através das cargas elétricas. Na eletrônica de spin ou spintrônica, a informação é codificada através do spin do elétron, que pode ser dirigido ao longo ou contra um determinado eixo.

       “Dispositivos supercondutores de spintrônica exigem muito menos energia e emitem muito menos calor. Isso significa que esta tecnologia irá permitir criar supercomputadores muito mais econômicos e estáveis”, explica Natalya Pugach.

       O principal obstáculo ao desenvolvimento destes dispositivos é que os spins dos elétrons e de outras partículas carregadas são muito difíceis de controlar. Os resultados desta pesquisa indicam que supercondutores podem ser úteis no processo de transporte de spin, e ferromagnéticos podem ser utilizados para controlar as rotações.

       Supercondutores são muito sensíveis a campos magnéticos fortes que podem até destruir a supercondutividade, embora supercondutores expulsem campos magnéticos completamente. É quase impossível fazer supercondutores comuns e materiais magnéticos interagirem entre si, devido às suas direções opostas de ordenamento magnético: em sistemas de armazenamento magnético, o campo magnético organiza os spins em uma direção, mas o par de Cooper em supercondutores têm spins no sentido oposto.

       “Meus colegas experimentaram dispositivos chamados válvulas de spin supercondutoras. Elas se parecem com um ‘sanduíche’ feito de nanocamadas de material ferromagnético, supercondutor e outros metais. Ao mudar a direção da magnetização, é possível controlar a corrente no supercondutor. A espessura das camadas é crucial, porque no caso do supercondutor espesso, é impossível observar qualquer efeito interessante”, explica Natalya Pugach.

       Durante os experimentos, os cientistas bombardearam as amostras com múons (partículas que se assemelham aos elétrons, mas são 200 vezes mais pesados) e analisaram ​sua dispersão. Este método tornou possível entender como a magnetização prossegue em diferentes camadas da amostra.

       A válvula de spin consistia de duas camadas ferromagnéticas de cobalto, uma camada supercondutora de nióbio com uma espessura de cerca de 150 átomos e uma camada de ouro. No experimento, os pesquisadores descobriram um efeito inesperado: quando as direções de magnetização em duas camadas ferromagnéticas não são paralelas, a interação entre essas camadas e a camada supercondutora induz a magnetização na camada de ouro, saltando sobre o supercondutor. Quando os cientistas mudaram as direções de magnetização nas duas camadas, tornando-as paralelas, este efeito quase desapareceu, a intensidade do campo diminuiu 20 vezes.

       “Este efeito foi inesperado. Nós ficamos muito surpresos ao descobrir isso. Anteriormente, nós tentamos explicar os resultados com um padrão de distribuição de magnetização conhecido, mas em vão. Temos algumas hipóteses, mas nós ainda não temos nenhuma explicação completa. Não obstante, este efeito nos permitiu usar um novo método de manipulações com spins”, diz Natalya Pugach.

       É bem possível que a descoberta levará a conceitualmente a novos elementos em spintrônica. De acordo com Natalya Pugach, tecnologias supercondutoras de spintrônica podem ajudar a construir supercomputadores e servidores poderosos, minimizando o consumo de energia e emissões de calor de supercomputadores atuais.

       “As tecnologias de computador são baseados em semicondutores, que são bons para computadores pessoais. Mas quando você usa esses semicondutores para construir supercomputadores, que produzem calor e ruído, eles exigem sistemas de refrigeração poderosos. A spintrônica poderia resolver todos esses problemas”, Natalya Pugach conclui.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-10-superconductivity-magnetization.html

Fonte2: http://phys.org/news/2015-10-superconductivity-magnetization.html

Teletransporte quântico: cientistas marcam novo recorde nos EUA

 

       Ainda deve demorar um bom tempo até que o teletransporte visto em filmes e séries de ficção científica se torne realidade. Contudo, mesmo que em proporções mínimas, esse tipo de tecnologia já existe, e os progressos, aos poucos, estão crescendo. Um dos avanços nesse campo aconteceu há alguns dias, quando um grupo de cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia dos Estados Unidos (NIST, na sigla em inglês) quebrou um novo recorde no chamado teletransporte quântico.

       Primeiramente, é preciso esclarecer que esse tipo de teletransporte não está diretamente relacionado ao teletransporte humano, uma vez que a ciência ainda não decifrou como é possível transportar matéria ou energia de um determinado ponto para outro. Na prática, isso significa que ainda não é possível teleportar algo ou alguém com segurança, já que para isso é necessário desmaterializar toda sua composição do ponto A e 'montá-la', detalhe por detalhe, no ponto B.

       O teletransporte quântico, portanto, diz respeito não ao transporte de matéria, mas sim de informação. Envolve a captura das características fundamentais de um dado - e seus "estados quânticos" - para transmiti-lo instantaneamente de uma área para outra, e recriá-lo em outro lugar pré-determinado.

       E foi isso o que essa equipe de físicos conseguiu: reproduzir a condição de uma partícula em outra partícula sem ter estabelecido uma interação prévia entre elas. Na técnica, os cientistas teletransportaram um fóton por um cabo de fibra óptica de 102 quilômetros de comprimento. Essa distância representa um salto quatro vezes maior do que o recorde anterior.

       De acordo com Martin Stevens, pesquisador de óptica quântica do NIST, foi usado um equipamento detector de fótons extremamente sensível, já que 99% dos fótons transmitidos pelo teletransporte se perdem no caminho e nunca completam o percurso. Esse detector avançado de um fóton único tem em sua composição fios supercondutores de siliceto de molibdênio (MoSi₂), com cerca de 150 nanômetros de largura e resfriado a cerca de -272 ºC, ou aproximadamente de 1 grau acima do zero absoluto - mais gelado que a superfície de Plutão.

       O que o detector conseguiu foi justamente medir o sinal fraco desse 1% que conseguiu passar pelos 102 km de fibra, tornando a técnica mais eficiente. Para efeito de comparação, esse novo sistema de detecção mostra níveis de performance até 80% melhores que estudos anteriores. Neste caso, o recorde de maior distância percorrida em teletransporte quântico pertencia a uma equipe de físicos de Viena, que usou uma extensão de 144 km entre duas das ilhas Canárias.

       As aplicações do teletransporte quântico são muitas, e beneficiam principalmente o setor de comunicações. Um exemplo é a criação de um supercomputador quântico que pode processar bilhões e bilhões de dados extremamente complexos a velocidades muito acima da média das máquinas atuais mais potentes. Outra possibilidade é levar esse conceito para a internet, garantindo que informações sejam enviadas na rede de uma forma mais segura e com um altíssimo nível de segurança e criptografia.

       Claro que esse é um longo caminho a trilhar, mas a quebra do recorde é um sinal de que os cientistas estão avançando nesse campo de estudo. Segundo Stevens, o próximo passo é desenvolver um detector de fótons ainda mais preciso para aumentar as distâncias percorridas através do teletransporte quântico.

Fonte: http://canaltech.com.br/noticia/ciencia/teletransporte-quantico-cientistas-marcam-novo-recorde-nos-eua-50393/

Mais próximo de um novo tipo de computador (One step closer to a new kind of computer)

Esta imagem mostra a resistência diferencial.

Um grupo internacional de físicos, incluindo Aleksander Golubov, chefe do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Supercondutores, recentemente apresentou os resultados de um novo fenômeno. Os resultados podem ajudar os cientistas na criação de um novo tipo de transição isolante-condutor.

       Pesquisadores realizaram uma série de experimentos com isolantes de Mott. Estes materiais, de acordo com a teoria de bandas, devem ser condutores, mas na prática são dielétricos (isolantes). Em termos gerais, o mecanismo por trás dessa anomalia é conhecido por físicos, embora uma teoria completa para isolantes de Mott ainda não existe. Eles não entendem completamente como os materiais se transformam de isolantes em condutores.

       Ao mesmo tempo, as estimativas preliminares indicam que este efeito é capaz de abrir um novo caminho para computadores mais rápidos. A transição ocorre sob a influência de vários fatores, incluindo um campo magnético, o que permite que seja controlado a partir do exterior. Isto torna possível aos investigadores permitir o fluxo de corrente ou interrompê-lo num ponto necessário. Tal esquema pode substituir transistores comuns e, neste caso, torná-los mais rápidos e mais compactos. Mas, para isso, os cientistas devem utilizar a teoria da transição de Mott.

       A teoria pertence às concepções fundamentais que explicam as propriedades elétricas de uma substância. Ela tem uma relação direta não somente com o comportamento isolante de Mott, mas também com a supercondutividade e os fundamentos da spintrônica, uma tecnologia que pode permitir o controle do spin do elétron. Supercondutividade e spintrônica estão entre essas tendências, onde se pode esperar avanços tecnológicos radicais, o que torna o entendimento da natureza da transição de Mott tão importante - e não apenas um ponto de vista puramente teórico.

       Em sua nova pesquisa, os físicos usaram um modelo especial que lhes permitiu estudar processos quânticos no isolante de Mott com a ajuda dos chamados vórtices magnéticos. Neste modelo proposto por Valery Vinokur e David Nelson em 1993, a corrente elétrica aciona um vórtice quântico em um material supercondutor, e pode-se considerar tal vórtice o portador de carga. Neste ponto, o que é mais significativo e sobre o qual Vinokur e Nelson escreveram ao discutir transições de fase, o supercondutor com vórtices se comportou como qualquer líquido superfluido ou como o vidro, através do qual a corrente elétrica não pode passar. Variando a temperatura e o campo magnético, os cientistas converteram a amostra de um estado para outro, e estas observações, juntamente com o conjunto de dados mais recentes foram usadas como uma base para a nova pesquisa.

Esta imagem mostra a matriz feita a partir de ilhas de nióbio usada nas experiências, e o relevo da seção transversal, bem como uma vista geral (C) no microscópio óptico.

       Para a nova experiência, os cientistas criaram uma matriz quadrangular de ilhas de nióbio com diâmetro de cerca de 220 nanômetros sobre silício. Eles construíram a amostra usando métodos padrão de litografia, e, em seguida, colocaram em um criostato resfriando para 1,4 K, o que é inferior à temperatura de transição supercondutora do nióbio. As ilhas de nióbio tornaram-se supercondutoras, vórtices magnéticos se formaram nelas, e os investigadores analisaram o comportamento do sistema em diferentes condições.

       Em particular, eles mediram a resistência da amostra e descobriram que esta quantidade se transforma de forma não linear com um campo magnético crescente. De um ponto de vista teórico, os resultados sugerem que se pode ver a transição de Mott como a transição de uma substância de um estado líquido a um gás, o que abre oportunidades adicionais para analisar o fenômeno a partir da perspectiva da termodinâmica. O esquema experimental desenvolvido pelos cientistas torna as experiências relativamente simples, porque eles têm uma quantidade suficiente de métodos de litografia e temperaturas comparáveis ​​com a do hélio líquido. Vale destacar que as baixas temperaturas foram alcançadas sem o uso do caríssimo hélio líquido.

Resistência não linear da amostra e a influência de campos magnéticos sobre a resistência elétrica.

Fonte1: https://mipt.ru/en/news/motttransition

Fonte2: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-09/miop-osc091515.php

Fonte3: http://www.sciencemag.org/content/349/6253/1202

200 km de cabos supercondutores fabricados para o ITER (200km of superconducting cables manufactured for ITER)

200 km de cabos supercondutores foram fabricados para formar os magnetos do maior reator ITER de fusão do mundo.

Os cabos são a maior aquisição na história industrial dos supercondutores. O ITER já recebeu 70% dos supercondutores, o que levou sete anos para a fabricação.

      China, Europa, Japão, Coreia, Rússia e os Estados Unidos foram responsáveis ​​pela produção dos supercondutores, que serão usados ​​para fazer os ímãs que irão moldar e controlar o plasma dentro da câmara de vácuo.

      “Temos injetado dinheiro em empresas e laboratórios industriais em todo o mundo, que agora ganharam experiência inestimável que pode ser aplicada em outras áreas críticas, como a imagem médica por ressonância, energia e transporte”, disse Bernard Bigot, diretor-geral do ITER. “Tecnologicamente, nós usamos a mais recente ciência de materiais, empurrando a produção para níveis sem precedentes”.

      Sem supercondutores, a fusão nuclear não seria possível. Supercondutores consomem menos energia e são mais baratos de operar do que ímãs convencionais, também suportam correntes mais altas e produzem campos magnéticos mais fortes.

      Os sistemas de magnetos supercondutores do ITER, com uma combinada energia magnética armazenada de 51GJ, irá produzir os campos magnéticos que iniciará, confinará, formará e controlará o plasma a temperaturas de 170 milhões °C.

      Os supercondutores são feitos de fios de nióbio-estanho (Nb₃Sn) e serão montados juntos e contidos em um revestimento de aço estrutural.

      A próxima etapa na fabricação de ímãs do ITER é a integração dos supercondutores com os conjuntos de bobina finais.

      “É inspirador ver os condutores do ITER como uma realidade depois de um programa de desenvolvimento que remonta mais de 30 anos, com parceiros que trabalham como uma equipe para dominar as complexas tecnologias envolvidas”, disse Neil Mitchell, que liderou o desenvolvimento dos condutores do ITER desde 1992.

Fonte: http://eandt.theiet.org/news/2015/sep/iter-superconducting-magnets.cfm

Grafeno supercondutor com átomos de lítio (Superconducting graphene breakthrough with lithium atoms)

Cientistas criaram o primeiro grafeno supercondutor usando revestimento de íons de lítio [Crédito: Universidade de British Columbia]

O primeiro grafeno supercondutor foi criado por pesquisadores canadenses usando revestimento átomo de lítio.

Adicionar a supercondutividade às propriedades já surpreendentes do grafeno irá expandir ainda mais o potencial uso do material, que é amplamente elogiado a um dia revolucionar a indústria de eletrônicos.

“Decorando a monocamada de grafeno com uma camada de átomos de lítio, há um aumento do acoplamento elétron-fônon do grafeno até o ponto onde a supercondutividade pode ser induzida”, disse Andrea Damascelli, diretor do Instituto de Matéria Quântica da Universidade de British Columbia, que liderou o estudo.

     A supercondutividade tinha sido observada em cristais de grafite tridimensionais intercalados com átomos de metais alcalinos. No entanto, alcançar o mesmo efeito em uma camada bidimensional de grafeno da espessura de um átomo tem sido até agora impossível.

     A equipe, que inclui cientistas do Instituto Max Planck para Pesquisas do Estado Sólido, obteve sucesso incorporando átomos de lítio na estrutura do grafeno em condições de ultra-alto vácuo e temperaturas tão baixas quanto -267 °C.

     Dado o interesse científico e tecnológico em amostras volumétricas de grafeno, a capacidade de induzir a supercondutividade em uma camada da espessura de um átomo pode ter impactos interdisciplinares significativos. De acordo com estudos recentes, o mercado global de grafeno chegou a US$ 9 milhões em 2014, com a maioria das vendas em semicondutores, eletrônica, bateria, energia e indústrias de compósitos.

     O grafeno, cerca de 200 vezes mais forte que o aço, é uma única camada de átomos de carbono arranjados em um padrão de favo de mel. O material foi isolado pela primeira vez em 2004 por pesquisadores da Universidade de Manchester, Andre Geim e Konstantin Novoselov.

Fonte1: http://eandt.theiet.org/news/2015/sep/superconductive-graphene.cfm

Fonte2: http://www.pnas.org/content/early/2015/09/04/1510435112.abstract

Uma pequena e eficiente planta de fusão (A small, modular, efficient fusion plant)

Uma vista do reator ARC. Graças a poderosa nova tecnologia do ímã, o (muito menor) reator ARC é mais barato e deverá entregar a mesma potência de um reator muito maior. Ilustração: MIT ARC

       É uma velha piada que muitos cientistas de fusão estão cansados de ouvir: usinas práticas de fusão nuclear estão há apenas 30 anos de distância - e sempre estarão.

       Mas agora, finalmente, a piada já não pode ser verdade: avanços na tecnologia de ímã permitiram pesquisadores do MIT propor um novo e compacto reator de fusão Tokamak - e é algo que pode ser feito em menos de uma década, dizem eles. A era da energia de fusão que pode oferecer uma fonte quase inesgotável de energia, pode estar chegando perto.

       Os pesquisadores usaram fitas supercondutoras com materiais de alta temperatura crítica disponíveis comercialmente, a fim de produzir bobinas capazes de gerar altos campos magnéticos.

       O campo magnético mais forte faz com que seja possível produzir o confinamento magnético do plasma superquente - isto é, o material de uma reação de fusão - mas num dispositivo muito menor do que os anteriormente imaginados. A redução no tamanho, por sua vez, faz todo o sistema mais barato e mais rápido de construir, e também permite algumas novas funcionalidades engenhosas no projeto da usina.

Usina protótipo

O novo reator é projetado para a pesquisa básica sobre fusão e também como uma usina protótipo que poderia produzir energia significativa. O conceito básico do reator e seus elementos associados são baseados em princípios bem testados e comprovados, desenvolvidos ao longo de décadas de pesquisa no MIT e em todo o mundo, diz a equipe.

       “O campo magnético muito maior”, diz Brandon Sörbom, “permite atingir um desempenho muito maior”.

       Fusão é a mesma reação nuclear que alimenta o sol, onde pares de átomos de hidrogênio formam o gás hélio resultando em enormes liberações de energia. A parte mais difícil é confinar o plasma superquente - uma forma de gás eletricamente carregado - enquanto se aquece a temperaturas mais altas do que os núcleos de estrelas. Este é o lugar onde os campos magnéticos são tão importantes, eles efetivamente prender o calor e as partículas no centro quente do dispositivo.

       Enquanto a maioria das características de um sistema tende a variar proporcionalmente às mudanças nas dimensões, o efeito das variações no campo magnético em reações de fusão é muito mais extremo: o ​​aumento na capacidade da fusão varia de acordo com a quarta potência do aumento no campo magnético. Assim, a duplicação do campo iria produzir um aumento de 16 vezes na potência da fusão. “Qualquer aumento do campo magnético resulta em uma grande vitória”, diz Sörbom.

Dez vezes mais capacidade

       Enquanto os novos supercondutores não produzem a duplicação da intensidade do campo, eles são fortes o suficiente para aumentar o poder de fusão por um fator de 10 comparado à tecnologia de supercondutores padrão, diz Sörbom. Esta melhoria dramática leva a um grande potencial de melhorias no reator.

       O mais poderoso reator de fusão é o ITER que está em construção na França, deverá custar cerca de US $ 40 bilhões. Sörbom e a equipe do MIT estimam que o novo projeto com metade do diâmetro do ITER (concebido antes dos novos supercondutores tornarem-se disponível), teria a mesma capacidade com uma fração do custo e em um tempo de construção mais curto.

       Mas, apesar da diferença de tamanho e força do campo magnético, o reator proposto, chamado ARC, é baseado “exatamente na mesma física”, como o ITER, afirma Dennis Whyte, professor de engenharia nuclear. “Nós não estamos extrapolando nenhum regime novinho em folha”, acrescenta.

       Outro avanço chave no novo design é um método para a remoção do núcleo energético de fusão a partir do reator em forma de anel, sem ter de desmontar o dispositivo inteiro. Isso faz com que seja adequado para a investigação que visa melhorar ainda mais o sistema usando diferentes materiais ou modelos para ajustar o desempenho.

       Além disso, assim como no ITER, os novos ímãs supercondutores permitiriam ao reator operar de maneira sustentada, produzindo uma saída de potência constante, ao contrário dos reatores experimentais atuais, que só podem funcionar durante alguns segundos de cada vez, sem sobreaquecimento nas bobinas de cobre.

Proteção líquida

Outra vantagem importante é que a maioria dos materiais sólidos de cobertura utilizados para rodear a câmara de fusão em tais reatores são substituídos por um material líquido que pode ser facilmente distribuído e substituído, eliminando a necessidade de procedimentos dispendiosos de substituição como os materiais que degradam ao longo do tempo.

       “É um ambiente extremamente severo para materiais sólidos”, diz Whyte, então substituir os materiais com um líquido poderia ser uma grande vantagem.

       Agora, como projetado, o reator deve ser capaz de produzir cerca de três vezes mais eletricidade do que é necessário para mantê-lo funcionando, mas o projeto provavelmente poderia ser melhorado para aumentar essa proporção para cerca de cinco ou seis vezes, diz Sörbom. Até agora, nenhum reator de fusão produziu tanta energia quanto ele consome, de modo que este tipo de produção de energia líquida seria um grande avanço na tecnologia da fusão, diz a equipe.

       O projeto poderia produzir um reator que iria fornecer eletricidade para cerca de 100.000 pessoas, dizem eles. Aparelhos de complexidade e dimensões semelhantes serão construídos dentro de cerca de cinco anos, dizem eles.

       “A energia de fusão será a fonte de energia elétrica mais importante da Terra no século 22, mas precisamos disso muito mais cedo para evitar o catastrófico aquecimento global”, diz David Kingham, CEO da Tokamak Energy do Reino Unido, que não estava relacionada com esta pesquisa. “Este trabalho mostra uma boa maneira de fazer progressos mais rápidos”, diz ele.

       Sobre a pesquisa do MIT, Kingham diz: “O trabalho é de qualidade excepcional. O próximo passo seria refinar o projeto e trabalhar mais detalhes de engenharia, mas o trabalho já deve chamar a atenção dos políticos, filantropos e investidores privados”.

Fonte: http://news.mit.edu/2015/small-modular-efficient-fusion-plant-0810