Computador imita cérebro com supercondutores e LEDs

A arquitetura neuromórfica deverá superar a capacidade de cálculo do cérebro humano. [Imagem: Jeffrey M. Shainline et al. - 10.1103/PhysRevApplied.7.034013]

Computador neuromórfico

O supercomputador mais rápido do mundo, o Sunway TaihuLight, 100% chinês, executa mais cálculos por segundo do que um cérebro humano, mas consome cerca de 800.000 vezes mais energia.

Para tentar tirar essa diferença, uma equipe do Instituto Nacional de Padronização e Tecnologia dos EUA (NIST) está propondo um novo sistema de computação baseado em componentes supercondutores que se comunicam usando luz e que funciona de forma mais parecida com a arquitetura neural do cérebro humano.

Os cálculos de Jeffrey Shainline e seus colegas sugerem que seu computador-supercondutor-fotônico poderá operar com menos energia e realizar mais cálculos do que o cérebro humano - se bem que a capacidade estimada de cálculos do cérebro humano foi recentemente multiplicada por 100.

Neurônio teia de aranha

       Nos computadores atuais, cada componente semicondutor interage com apenas alguns outros, aos quais são conectados por fiações diretas. Acontece que, se cada componente fosse ligado a milhares de outros, como ocorre no cérebro, a arquitetura do circuito rapidamente se torna caótica.

       Para resolver isto, Jeffrey Shainline propõe usar fótons em vez de elétrons. Os fótons podem atuar como portadores de informação e podem se comunicar com inúmeros outros sem a necessidade de conexões com fios.

       O neurônio artificial consiste de um fio supercondutor conectado a um LED - incorporado seria o melhor termo, já que ambos fazem parte do mesmo componente. Os dois elementos atuam como detector e transmissor de sinal, respectivamente.

       Na ausência de fótons de entrada, o LED permanece desligado e o neurônio fica inativo. Quando o supercondutor absorve fótons, sua temperatura aumenta, provocando uma transição de uma fase supercondutora para uma fase metálica. Isso altera o fluxo de corrente no LED, ligando-o e tornando o neurônio ativo.

       Como essa transição requer a absorção de múltiplos fótons, o circuito pode imitar os neurônios reais, que disparam apenas se o sinal de entrada superar um limiar. Guias de onda ramificados então canalizam os fótons emitidos para milhares de outros neurônios supercondutores, compondo o que os pesquisadores chamam de “neurônio teia de aranha”.

Estrutura do computador (em cima) e de cada neurônio artificial, formado por um supercondutor e um LED (embaixo). [Imagem: Jeffrey M. Shainline et al. - 10.1103/PhysRevApplied.7.034013]

Operações

       De acordo com os cálculos da equipe, esse sistema poderá realizar 10 vezes mais operações do que o cérebro humano e consumir apenas 20 W de energia.

       Agora é aguardar que os engenheiros ponham a mão na massa e afiram se esse neurônio artificial em teia realmente funciona.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=computador-imita-cerebro-supercondutores-leds&id=010150170403&ebol=sim

Bibliografia:

Superconducting Optoelectronic Circuits for Neuromorphic Computing. Jeffrey M. Shainline, Sonia M. Buckley, Richard P. Mirin, Sae Woo Nam. Physical Review Applied Vol.: 7, 034013. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.7.034013

Primeiro magneto supercondutor portátil

O ímã supercondutor portátil deverá inaugurar uma nova era para os motores elétricos. [Imagem: Difan Zhou et al. - 10.1063/1.4973991]

Engenheiros da Universidade de Cambridge, no Reino Unido, construíram um magneto supercondutor portátil.

Embora a supercondutividade venha sendo usada em grandes experimentos, como no LHC, ou mesmo em equipamentos de laboratório do tamanho de uma sala, não era possível tirar proveito dela em equipamentos realmente pequenos.

O novo dispositivo portátil substitui com muitas vantagens os grandes ímãs permanentes convencionais - o protótipo alcançou um campo magnético de 3 teslas, o que é excepcional para suas dimensões.

O professor John Durrell conta que o trabalho da sua equipe se baseou nas descobertas recentes do físico Roy Weinstein, da Universidade de Houston, nos EUA, que mostrou como os eletroímãs convencionais e a magnetização por campo pulsado podem ser usados para ativar campos magnéticos supercondutores que são ‘capturados’ e sustentados como parte de um arranjo supercondutor.

Isso evita a necessidade de grandes e caros ímãs supercondutores para ‘ativar’ o sistema, permitindo construir um dispositivo portátil.

As possibilidades de uso do ímã supercondutor portátil são enormes, como sistemas menores e mais baratos de ressonância magnética para uso em hospitais de menores recursos.

“O interesse óbvio nisso é que você pode usá-lo para construir um motor menor e mais leve,” disse Durrel.

Bibliografia:

A portable magnetic field of >3 T generated by the flux jump assisted, pulsed field magnetization of bulk superconductors. Difan Zhou, Mark D. Ainslie, Yunhua Shi, Anthony R. Dennis, Kaiyuan Huang, John R. Hull, David A. Cardwell, John H. Durrell. Applied Physics Letters. Vol.: 110, Issue 6

DOI: 10.1063/1.4973991.

A significant advantage for trapped field magnet applications - A failure of the critical state model. Roy Weinstein, Drew Parks, Ravi-Persad Sawh, Keith Carpenter, Kent Davey. Applied Physics Letters. Vol.: 107, Issue 15. DOI: 10.1063/1.4933313.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=primeiro-magneto-supercondutor-portatil&id=010115170214&ebol=sim

Novo sistema para explorar a supercondutividade (New system for exploring superconductivity)

A descoberta, em 1986, de que um composto à base de cobre conduz eletricidade sem resistência a temperaturas muito mais altas do que os supercondutores convencionais abalou o mundo da física, pois parecia que o santo graal da supercondução à temperatura ambiente estava ao alcance. No entanto, desde a descoberta dos cupratos, a supercondutividade à temperatura ambiente parece um objetivo distante. Além disso, apesar de três décadas de esforço febril, os cientistas não compreendem completamente como os cupratos funcionam.

       Uma classe de materiais que poderia ajudar a desbloquear o mecanismo supercondutor dos cupratos é chamada isolante de Mott. De acordo com a convencional teoria de banda, esses materiais devem conduzir a eletricidade, mas as fortes interações entre seus elétrons fazem com que sejam isolantes. Contudo, eles podem exibir a supercondutividade pelo processo de dopagem com átomos específicos.

       Um dos principais enigmas envolvendo os cupratos (que são isolantes de Mott) é que eles se comportam de modo diferente a depender se eles são dopados com portadores de carga positiva ou negativa. Eles apresentam diferentes propriedades supercondutoras em diferentes condições de dopagem: dopantes com cargas positivas (‘buracos’) ou dopantes com cargas negativas. Os pesquisadores sondariam essa assimetria adicionando buracos ou elétrons a uma amostra, mas a complexa estrutura cristalina da maioria dos cupratos impede isso.

       Agora, Yoshitaka Kawasugi e seus colegas encontraram uma abordagem diferente - usando isolantes de Mott orgânicos em combinação com transistores de efeito de campo. A estrutura de banda mais simples desses cristais orgânicos torna mais fácil detectar a assimetria elétron-buraco. Além disso, podem ser dopados precisamente na mesma amostra aplicando um campo elétrico.

Os cálculos teóricos das propriedades elétricas de um isolante de Mott orgânico revelam que os efeitos assimétricos da dopagem podem agir como um degrau para a obtenção da supercondutividade a alta temperatura. (Imagem: Kazuhiro Seki, Laboratório de Física Computacional de Matéria Condensada RIKEN)

A equipe mediu como os elétrons se moviam no cristal em diferentes concentrações de buracos e de elétrons para várias temperaturas. Quando aplicaram um campo magnético, emergiu uma surpreendente assimetria - os ‘coeficientes Hall’, que quantificam as influências magnéticas, eram três vezes maiores no lado dopado com buracos.

“Quando vi essa assimetria pela primeira vez, achei que a experiência falhara”, lembra Kawasugi. “A dependência detalhada de doping também revelou que algo especial estava acontecendo”, observa.

       Cálculos teóricos ajudaram a descobrir a razão para esta anomalia – o excesso de doping com buraco provocou o estado de ‘pseudogap’. Esta é uma descoberta animadora uma vez que poderia indicar que a supercondutividade não está longe. “Pseudogaps podem ser precursores para o estado supercondutor se a temperatura de transição para o lado dopado com buraco for muito maior do que o caso dopado por elétrons”, diz Kawasugi. “A dopagem adicional de elétrons e buracos pode induzir essa supercondutividade não convencional”.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=45657.php

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12356

Hidrogênio metálico é criado em laboratório pela primeira vez

O hidrogênio metálico foi obtido em uma bigorna de diamante, em pressões acima de 465 GPa. [Imagem: R.Dias/I.F.Silvera]

       Previsto para existir no núcleo de planetas gigantes, como Júpiter, o hidrogênio sólido acaba de ser sintetizado em laboratório pela primeira vez - depois de mais de 80 anos de tentativas.

       Os primeiros dados confirmam que o hidrogênio metálico apresenta muitas qualidades importantes no campo da física, incluindo a supercondutividade e a superfluidez, o que poderia ter implicações valiosas para a solução de problemas energéticos.

       Em 1935, dois cientistas - Wigner e Huntington - previram que o hidrogênio molecular se tornaria um metal sólido a uma pressão de 25 gigapascals (GPa).

       Inúmeros experimentos mostraram que alguns dos pressupostos de Wigner e Huntington estavam errados. No ano passado, os primeiros indícios experimentais do hidrogênio metálico começaram a surgir a 325 GPa.

       Agora, Ranga Dias e Isaac Silvera, da Universidade de Harvard, nos EUA, finalmente metalizaram o hidrogênio depois de submeter o gás a pressões entre 465 e 495 GPa a 5,5 K - uma pressão quase 20 vezes mais alta do que a inicialmente prevista.

       As medições espectroscópicas indicam que o hidrogênio se dissociou do seu estado molecular padrão (H₂) em um metal atômico. A dupla acredita que a fase metálica é provavelmente sólida, mas o experimento que eles realizaram não produziu dados suficientes para discriminar entre os estados sólido e líquido - o que eles sabem ao certo é que o hidrogênio metálico se formou e apresenta as características esperadas.

       “Esta é a primeira amostra de hidrogênio metálico na Terra. Então, se você está olhando para ela, está olhando para algo que nunca existiu antes,” disse Silvera.

As fases do hidrogênio obtidas durante o experimento. [Imagem: R.Dias/I.F.Silvera]

“O desafio agora é resfriar o hidrogênio metálico e, se for o caso, estudar sua estabilidade térmica para ver se há um caminho para sua produção em grandes quantidades”, concluiu a dupla.

       Cálculos teóricos mais recentes indicam que pode ser possível criar hidrogênio metálico supercondutor de uma forma mais fácil adicionando um pouco de lítio ao experimento.

Bibliografia:

Observation of the Wigner-Huntington transition to metallic hydrogen. Ranga P. Dias, Isaac F. Silvera. Science. DOI: 10.1126/science.eaal1579.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=hidrogenio-metalico-criado-laboratorio-pela-primeira-vez&id=010160170127&ebol=sim

Nova liga supercondutora alterna entre fases (Copper stripes help iron pnictide lock in insulating state)

A nova liga do Rice Center for Quantum Material’s é o primeiro supercondutor à base de ferro que pode ser continuamente ajustado da fase supercondutora à fase isolante de Mott. Crédito: Jeff Fitlow/Rice University

Físicos do Rice Center for Quantum Material’s (RCQM) criaram um novo material à base de ferro que oferece pistas sobre as origens microscópicas da supercondutividade de alta temperatura. O material que contém os elementos ferro, sódio, cobre e arsênio foi obtido pelo estudante Rice Yu Song no laboratório do físico Pengcheng Dai.

O material foi obtido pela mistura de ingredientes em uma atmosfera de argônio puro selada em recipientes de niobio e ‘cozida’ a quase 1.000 ºC. A liga exibe camadas em que ferro e cobre se separam em listras alternadas. Essa característica é crítica para a utilidade do material em explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura, disse o diretor do RCQM, Qimiao Si.

“Ao formar esse padrão regular, Yu Song removeu fisicamente a desordem do sistema, e isso é crucial para ser capaz de dizer algo significativo sobre o que está acontecendo eletronicamente”, disse Si, um físico teórico que trabalhou para explicar as origens da supercondutividade de alta temperatura e fenômenos semelhantes há quase duas décadas.

“O problema central da supercondutividade de alta temperatura é entender a relação precisa entre esses dois estados fundamentais da matéria (isolante e supercondutor) e a transição de fase entre eles”, disse Dai, professor de física e astronomia em Rice. “A mudança macroscópica é evidente, mas as origens microscópicas do comportamento estão abertas à interpretação, em grande parte porque há muitas variáveis ​​em jogo, e a relação entre elas é simultaneamente sinérgica e não-linear”.

Dai afirma que duas escolas de pensamento “se desenvolveram desde o início, um deles foi o campo itinerante, que argumenta que ambos os estados, em última instância, surgem de elétrons itinerantes. Afinal, esses materiais são metais, mesmo que sejam metais pobres”. O outro campo é o localizado, que argumenta que a física fundamentalmente nova surge devido às interações elétron-elétron no ponto crítico em que os materiais transitam de uma fase para a outra.

As medidas do novo material suportam a teoria localizada. Este sistema é o primeiro membro de uma classe de supercondutores à base de ferro chamados pnictídeos, que podem ser ajustados entre duas fases concorrentes: a fase supercondutora e um ‘isolante de Mott’ na qual os elétrons ficam bloqueados e não fluem.

A estrutura cristalina do novo material em camadas inclui listras alternadas de ferro (azul) e cobre (vermelho). O striping é crítico para a utilidade do material na explicação das origens da supercondutividade de alta temperatura. Crédito: Yu Song/Rice University

“A descoberta que Yu Song fez é que este material é mais correlacionado, o que é evidente devido à fase isolante de Mott”, disse Dai. “Esta é a primeira vez que alguém relata um supercondutor de ferro que pode ser continuamente sintonizado da fase supercondutora à fase isolante de Mott”.

“Nós mostramos que se a interação era fraca, mesmo substituindo 50% do ferro com cobre ainda não seria suficiente para produzir o estado isolante”, disse Si. “O fato de que nossos experimentalistas conseguiram transformar o sistema em isolante de Mott, fornece evidência direta de fortes interações elétron-elétron nos pnictídeos. Isto é um importante passo porque sugere que a supercondutividade deve estar amarrada com estas fortes correlações de elétrons”.

Fonte1: https://phys.org/news/2016-12-copper-stripes-iron-pnictide-insulating.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms13879

Físicos manipulam vórtices de Abrikosov

Os vórtices distribuídos aleatoriamente na amostra supercondutora (esquerda) foram reposicionados em um padrão formando as letras “AV”, que significa ‘Abrikosov vórtices’ (à direita). Crédito: Instituto de Física e Tecnologia de Moscou (MIPT)

Um grupo de nanofotônica liderado pelo Prof. Brahim Lounis da Universidade de Bordeaux, incluindo cientistas do MIPT, realizou uma experiência única envolvendo a manipulação óptica de vórtices individuais de Abrikosov em um supercondutor. No artigo publicado na Nature Communications, os cientistas mencionam a possibilidade de projetar novas unidades lógicas baseadas em princípios quânticos para uso em supercomputadores.

Quando um material transita para o estado supercondutor, os campos de fluxo magnético são expulsos do seu volume. Um supercondutor tem todas as linhas de campo magnético ejetadas do seu interior ou permite a penetração parcial do campo magnético. O fenômeno da penetração parcial foi explicado em 1957 por Alexei Abrikosov, pelo qual recebeu o Prêmio Nobel de Física em 2003. Um material que não exibe uma expulsão completa do campo magnético é referido como um supercondutor tipo II. Abrikosov também demonstrou que esses supercondutores só podem ser penetrados por unidades de fluxo magnético discreto, um quantum de fluxo magnético de cada vez. Como o campo dentro de um supercondutor cresce mais forte, dá origem aos loops de corrente cilíndrica conhecidos como vórtices Abrikosov.

“Os supercondutores dtipo II são usados ​​em várias aplicações, desde a medicina até a energia e outras indústrias, e suas propriedades são determinadas pela ‘matéria de vórtice’, o que torna a pesquisa de vórtices e encontrar maneiras de manipulá-los muito importantes para a física moderna”, diz Ivan Veshchunov, um dos autores do estudo e pesquisador do Laboratório de Fenômenos Quânticos Topológicos em Sistemas Supercondutores do MIPT.

Para manipular os vórtices de Abrikosov, os cientistas usaram um feixe de laser focalizado. Este tipo de controle óptico de vórtice é possível pela tendência dos vórtices serem atraídos para as regiões de temperatura mais elevada num supercondutor (neste caso, um filme de nióbio resfriado a -268ºC). Os hotspots (‘pontos quentes’) necessários podem ser criados pelo aquecimento do material com um laser. No entanto, é crucial definir a potência correta do laser, uma vez que o aquecimento do material destrói suas propriedades supercondutoras.

Como os vórtices atuam como quanta de fluxo magnético, eles podem ser usados ​​para moldar o perfil de fluxo magnético geral, permitindo que os físicos realizem várias experiências com supercondutores. Enquanto uma rede de vórtices triangular ocorre naturalmente em certos campos magnéticos, outros tipos de redes (e dispositivos como lentes de vórtice) podem ser criados movendo vórtices ao redor.

O método de manipulação de vórtices no estudo pode ser usado na computação quântica para o desenvolvimento de elementos lógicos quânticos de fluxo único (RSFQ), controlados opticamente. Esta tecnologia é vista como promissora para o projeto de memória super-rápida para computadores quânticos. Os elementos lógicos baseados em RSFQ já são usados ​​em conversores digital-analógico e analógico-digital, magnetômetros de alta precisão e células de memória. Vários protótipos de computadores baseados nessa tecnologia foram desenvolvidos, incluindo o FLUX-1 projetado por uma equipe de engenheiros dos EUA. No entanto, os elementos lógicos RSFQ nestes computadores são em grande parte controlados por impulsos elétricos. A lógica controlada opticamente é uma tendência emergente nos sistemas supercondutores.

As experiências realizadas pelos cientistas poderiam ser aplicadas em pesquisas futuras sobre os vórtices de Abrikosov. Os físicos ainda têm de investigar os detalhes de como o aumento da temperatura age para ‘soltar’ os vórtices de seus locais e colocá-los em movimento. Mais pesquisas sobre a dinâmica de vórtices em estruturas de Abrikosov provavelmente seguirão. Esta linha de pesquisa é fundamental para a compreensão da física dos supercondutores, bem como para avaliar as perspectivas de novos tipos de componentes de microeletrônica.

Fonte1: http://phys.org/news/2016-11-physicists-abrikosov-vortices.html

Fonte2: http://www.nature.com/articles/ncomms12801