Estudo propõe nova maneira de medir flutuações em supercondutores (Study proposes new way to measure superconducting fluctuations)

Cientistas do Argonne propõe evidência teórica para uma nova flutuação em supercondutores, o que pode levar a uma forma de medir a temperatura exata em que começa supercondutividade e lançar luz sobre as propriedades mal compreendidas de materiais supercondutores acima dessa temperatura. Acima: picos são visíveis a temperaturas próximas de T_C, a temperatura na qual inicia a supercondutividade. Crédito:. Alexey Galda

Supercondutores são um quebra-cabeça antigo em física, e se tornou ainda mais tentador devido às aplicações tecnológicas muito valiosas destes materiais. A eletricidade está sendo deperdiçada ao seu redor; pouquíssimos sistemas elétricos usam a capacidade de forma eficiente, eles sempre perdem energia como calor que você sente quando o seu laptop ou telefone fica quente. Isso porque até mesmo os nossos melhores condutores, como o cobre, sempre perde eletricidade para a resistência. Supercondutores não. Quando resfriados a temperatura de funcionamento, nunca perdem a eletricidade.

Este é o tipo de propriedade única que pode estimular completamente novos campos de invenção, e eles possuem ressonâncias magnéticas, torres de telefonia celular e Maglev, todos usando supercondutores. Mas eles não estão presentes em cada linha de transmissão devido a um grave problema logístico: a sua temperatura de funcionamento é -270 °F ou menos, por isso têm de ser resfriados com hélio ou nitrogênio líquido.

Materiais supercondutores têm muitas outras propriedades interessantes. Por exemplo, os cientistas descobriram que o fluxo de energia entre dois supercondutores, separadas por um fino material não condutor (chamado de junção Josephson) pode ser extremamente sensível à radiação de microondas externa. Um único fóton pode desencadear o fluxo de eletricidade através de um tal dispositivo apenas quando a tensão certa é aplicada. Este efeito singular, chamado de tunelamento ressonante, permite uma tão elevada precisão de medida que é utilizado para a sequenciação de DNA e criptografia quântica. O mesmo fenômeno determinou o padrão internacional de tensão ao longo de décadas.

O problema é que nós ainda não sabemos completamente como supercondutores funcionam, e se queremos realizar seu pleno potencial, precisamos entender.

Para explorar os supercondutores, uma das coisas que os cientistas fazem é reorganizá-los em todos os tipos de novas maneiras para empilhá-los em camadas, perfurar buracos e cortá-los em fios de apenas 50 nanômetros de espessura, por exemplo.

Estas novas disposições mudam a forma como os materiais se comportam, incluindo propriedades essenciais como a temperatura exata em que eles se tornam supercondutores, chamada de temperatura crítica (T_C).

“Até agora”, disse Valerii Vinokur, “o campo não tem um padrão, uma forma precisa de medir a T_C.”

Uma das coisas que sabemos é que ilhas de vida curta da supercondutividade podem se formar em um material um pouco acima da T_C. Estas regiões esporadicamente emergentes desaparecem rapidamente, chamadas de flutuações supercondutoras, espelham de uma forma ou de outra a maioria das propriedades supercondutoras do material em temperaturas abaixo de T_C. Apesar disso, as flutuações supercondutoras permanecem mal-entendidas, tanto que até mesmo medir sua vida tem sido um desafio. Vinokur e colaboradores propuseram um efeito que espelha o tunelamento ressonante acima da T_C que é forte o suficiente para medir, e mais importante, fica mais nítido quando a temperatura se aproxima de T_C.

Se verificado por meio de experimento, isso seria uma nova ferramenta de alta precisão para medir as propriedades fundamentais das flutuações supercondutoras e fornecer uma maneira de medir com mais precisão onde T_C reside para cada material.

“Cada nova ferramenta no estudo da supercondutividade é absolutamente inestimável - traz mais precisão para o campo”, disse Galda.

“Isso também nos permitiria estudar as flutuações de forma mais ampla”, disse ele.

As flutuações, segundo Galda, são interessantes porque podem ajudar os pesquisadores a mapear os comportamentos microscópicos de materiais, que são provavelmente a chave para o porquê e como materiais agem da maneira que agem. As flutuações são influenciadas por um número de fenômenos diferentes; uma ferramenta para desvendar pelo menos uma variável do conjunto ajudaria os pesquisadores a desvendar as contribuições dos outros.

“Saber quanto tempo as flutuações vivem é muito importante e tem sido difícil determinar experimentalmente”, disse Vinokur.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-superconducting-fluctuations.html

Fonte2: http://www.nature.com/srep/2015/150209/srep08315/full/srep08315.html

Corrigindo erros quânticos em circuitos supercondutores (Correcting quantum errors in superconducting circuits)

a) O código de repetição é uma variante unidimensional (1D) do código de superfície, e é capaz de proteger contra erros (bit-flip). O código é implementado usando um padrão alternado de dados e medição de qubits. b) Micrografia óptica do dispositivo quântico supercondutor, que consiste em nove qubits “transmon” com controle e medição individual. c) O algoritmo do código de repetição utiliza repetidas operações de medidas e de emaranhamento que detectam bit-flips, utilizando o esquema de paridade no lado direito. Usando o output a partir dos qubits medidos durante a repetição do código para detecção de erro, o estado inicial pode ser recuperado removendo erros físicos no software. Texto e imagem: Nature

         Os computadores quânticos do futuro serão construídos a partir de um grande número de bits quânticos (qubits), que deverão estar em certos estados quânticos. No entanto, esses estados são extremamente frágeis e facilmente destruídos por “erros de bits” vindos do ruído externo no ambiente, e os físicos ainda não conseguiram criar qubits robustos o suficiente para serem usados em uma máquina prática. Pesquisadores da Universidade da Califórnia em Santa Barbara e da Google construíram um sistema de nove qubits em um circuito supercondutor que é robusto a esses erros e as suas experiências mostram que a correção de erro quântico poderia agora ser realisticamente possível em um dispositivo.

        Os pesquisadores, liderados por John Martinis, construíram um circuito quântico supercondutor que consiste em nove qubits. Cada qubit é um pequeno circuito constituído por um condensador e um indutor não-linear (chamado cruzamento Josephson), que atua como um átomo artificial. Os materiais que compõem o conjunto são uma película de alumínio depositada em um substrato de safira.

        “Nosso sistema de nove qubits pode proteger-se de erros de bits que inevitavelmente surgem do ruído e flutuações do ambiente em que os qubits estão incorporados”, explica o membro da equipe de Julian Kelly. “Mostramos também que ‘mais é melhor’: nove qubits protege o sistema melhor do que cinco qubits, um requisito fundamental quando vai para mais qubits em um computador quântico real do futuro”.

Estados quânticos são frágeis

        Os computadores quânticos vão funcionar com base no princípio de que uma partícula quântica pode estar em uma superposição de dois estados ao mesmo tempo – ‘spin up’ e ‘spin down’ no caso de um elétron, por exemplo. Os dois estados representam um ‘1’ e ‘0’, de modo que N partículas - os qubits - podem ser combinados, ou ‘emaranhados’, para representar valores 2N simultaneamente. Isso levaria ao processamento paralelo de informação em grande escala, o que não é possível com os computadores convencionais.

        Tais máquinas quânticas teriam um desempenho muito melhor em determinadas tarefas, como a aprendizagem de máquina ou simulação de moléculas complexas, por exemplo, porque suas velocidades de processamento devem crescer exponencialmente com o número de qubits de informação envolvidos. Na prática, porém, os físicos têm se esforçado para criar até mesmo o computador quântico mais simples, porque a fragilidade desses estados quânticos significa que eles são facilmente destruídos e são difíceis de controlar.

Paridade de medição

        “Na mecânica quântica, não podemos medir um qubit sem destruir a superposição e emaranhamento que faz com que a mecânica quântica funcione”, diz o membro da equipa Rami Barends, “mas podemos medir algo chamado paridade, que forma a base da correção de erro quântico”.

        Os pesquisadores exploraram esse fato e repetidamente mediram a paridade entre ‘dados’ de qubits adjacentes, fazendo uso de qubits de ‘medição’. “Cada ciclo, estes qubits de medição interagem com seus qubits de dados circundantes, através de portas lógicas quânticas e então podemos medi-los”, diz Kelly. “Quando ocorre um erro, a paridade muda de acordo e o qubit de medição relata um resultado diferente. Ao acompanhar esses resultados, podemos descobrir quando e onde ocorreu um erro de bit”.

Identificação e correção de erros

        Um número maior de qubits fornece mais informações para identificar e corrigir os erros, acrescenta Austin Fowler, membro da equipe. “Erros podem ocorrer a qualquer momento e em todos os tipos de qubits: qubits de dados, qubits de medição, durante a operação da porta e até mesmo durante a medida. Descobrimos que um dispositivo de cinco qubits é robusto para qualquer tipo de erro de bit que ocorre em qualquer lugar durante um algoritmo, mas um dispositivo de nove qubits é melhor porque é robusto para qualquer combinação de dois erros de bit”.

        Embora ainda muito longe de aplicações no mundo real, os pesquisadores dizem que um dispositivo de ‘auto-correção’ como o deles poderia ser uma ótima plataforma para testar algumas das ideias por trás da correção de erros - como proteger um estado quântico contra os famosos erros de phase-flip. “Nós também estamos agora ocupados em melhorar a qualidade dos nossos qubits e os materiais que usamos para fazê-los”, diz Kelly.

John Martinis e vários outros especialistas descrevem os benefícios e desafios da computação quântica em um podcast que apareceu pela primeira vez no site physicsworld.com: “A computação quântica: Desafios, triunfos e aplicações”.

Fonte1: http://nanotechweb.org/cws/article/tech/60428

Fonte2: http://www.nature.com/nature/journal/v519/n7541/full/nature14270.html

Acelerador de íons pesados feito com material supercondutor (Superconducting accelerator for heavy ion accelerator developed domestically)

Ressonador de onda

       Pesquisadores coreanos desenvolveram com sucesso um acelerador supercondutor, conhecido como o dispositivo central de aceleradores de íons pesados. O acelerador supercondutor será aplicado a uma série de pesquisas como uma parte crucial das áreas da ciência médica e bioengenharia. A equipe de construção do acelerador de íons pesados no âmbito do Instituto de Ciências Básicas construiu o acelerador supercondutor e passou no teste de desempenho pelo laboratório nacional do Canadá de partículas e física nuclear (TRIUMF). A Coréia tornou-se o oitavo país do mundo a adquirir a tecnologia.

Um acelerador supercondutor é um cilindro em forma de tubo de vácuo que aumenta a velocidade dos íons pesados ​​altamente carregados perto da velocidade da luz. Feito de supercondutor de nióbio (Nb), o acelerador supercondutor anula a resistência elétrica próximo do zero absoluto -273,15 °C. O acelerador supercondutor desenvolvido é um ressonador de onda (SCL1) utilizado em baixa energia.

Um pesquisador do Instituto de Ciências Básicas afirmou que a tecnologia de produção do acelerador supercondutor pode ajudar a salvar o custo da construção e facilitar a entrada no mercado global de empresas coreanas envolvidas no processo de desenvolvimento. O acelerador pode ser construído pela metade do preço.

O líder da equipe do projeto disse que vai apoiar ativamente a produção de outros dispositivos-chave, tais como um módulo do termostato de baixa temperatura e um magneto supercondutor de alta temperatura, sem falar nos dois outros tipos de aceleradores até o final do ano para alcançar a taxa de 65% da produção interna.

Fonte: http://www.whowired.com/406784.htm

Elétrons em câmera lenta (Electrons in slow motion)

As diferentes dinâmicas de relaxamento em um high-T_C e em supercondutores convencionais. Fonte: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

 

Um processo que é rápido demais para ser medido e analisado. No entanto, um grupo de cientistas internacionais não desanimou e desenvolveu uma espécie de sistema altamente sofisticado de edição de filme, o que lhes permitiu observar - pela primeira vez de forma direta - um efeito subjacente à condutividade de alta temperatura.

Supercondutores têm propriedades que os tornam potencialmente muito interessante para a tecnologia (exemplos de aplicação incluem trens de levitação magnética). O caminho para uma verdadeira aplicação das propriedades extraordinárias destes supercondutores é, no entanto, bloqueada pelo fato de que os convencionais trabalham em temperaturas extremamente baixas próximas ao zero absoluto, e, portanto, inviáveis. Supercondutores à base de óxido de cobre, graças a uma temperatura mais elevada de trabalho, são mais promissores, mas a possibilidade de sintetizar supercondutores à temperatura ambiente continua a ser um objetivo distante. O principal obstáculo é a falta de compreensão do mecanismo que permite transformar óxidos de cobre em supercondutores.

Um dos principais problemas é entender se as interações de elétrons no interior do material são diretas e instantâneas ou mediadas por alguma interação ‘atrasada’. Para responder a essa pergunta, precisamos olhar para o processo ‘na vida real’, mas dada a sua rapidez incomum, isso está longe de ser fácil. “A solução que concebemos é baseada no uso de pulsos de luz ultra-rápidos, com duração de 10 femtosegundos, ou seja, 10 milhões de bilionésimos de segundo”, explica Claudio Giannetti, da Universidade Católica do Sagrado Coração, que coordenou a pesquisa. “Para serem capaz de realizar essas medições nossos laboratórios desenvolveram um aparelho experimental único capaz de produzir, utilizar e medir pulsos de luz de cores diferentes que duram menos de 10 femtosegundos”, acrescenta Giulio Cerullo, chefe dos laboratórios de espectroscopia ultra-rápida do Departamento de Física da Politécnica de Milão.

O método desenvolvido se assemelha à ‘fotografia de alta velocidade’ inventada por Eadweard Muybridge mais de 100 anos atrás. “As imagens estroboscópicas famosas, ou imagens em movimento, podem dar uma ideia do que fizemos”, explica Massimo Capone, pesquisador do SISSA em Trieste. “Muybridge, assim como nós, teve de tirar fotos de objetos em alta velocidade, quebrar o movimento em muitos moldes antes de criar essas imagens bonitas (que se tornaram ícones) que oferecem uma reconstrução da trajetória de movimento. Fizemos algo muito semelhante, em uma minúscula dimensão temporal (e espacial), utilizando pulsos de luz infinitamente curtos como obturadores, para observar mudanças ultra-rápidas nas propriedades de um supercondutor”.

       Os cientistas aplicaram a técnica a diferentes famílias de supercondutores de alta temperatura, sucedendo, assim, em medir o que eles definem como o “mais rápido processo lento” em um sólido, e seus resultados apoiam a hipótese de que as interações dos elétrons nesses supercondutores são mediadas pelo spin dos elétrons.

Mais em detalhe ...

       “Em geral, as interações dos elétrons em um sólido podem ser divididas em interações diretas, que são virtualmente instantâneas, e ‘interações retardadas’, que ocorrem quando os elétrons interagem com outras partículas (bósons decorrentes da excitação dos íons ou de excitações magnéticas)”, explica Capone. “Estes últimos processos são pensados como fundamentais para a supercondutividade ocorrer, já que eles formam a ‘cola’ que mantém os elétrons juntos nos chamados ‘pares de Cooper’ subjacentes ao próprio fenômeno da supercondutividade”.

       “Até o momento, as experiências semelhantes realizadas com uma resolução temporal inferior conseguiram acessar somente os processos ‘lentos’ relacionados às interações de elétrons com as vibrações (fônons) da rede cristalina formadas por íons”, explica Cerullo. “Neste estudo, pela primeira vez, nós medimos o emparelhamento de elétrons com outra família de excitações ligadas ao spin do elétron e do magnetismo”.

       “Este emparelhamento”, conclui Giannetti, “era impossível de acessar experimentalmente até agora porque ocorre em um intervalo de apenas 10 femtosegundos. Nossa técnica e sua utilização inicial abriram uma nova janela sobre os processos ultra-rápidos em supercondutores de alta temperatura”.

Fonte1: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2015-03/isoa-eis030915.php

Fonte2: http://www.nature.com/nphys/journal/vaop/ncurrent/full/nphys3265.html

Nanofios podem aprisionar elétrons que interrompem a supercondutividade (Ultra-thin nanowires can trap electron 'twisters' that disrupt superconductors)

Esta ilustração descreve uma pequena fileira de vórtices feitas no local entre as bordas de um nanofio desenvolvido por cientistas da Johns Hopkins. Crédito: Nina Markovic e Tyler Morgan-Wall / JHU

Materiais supercondutores são valorizados por sua capacidade de transportar corrente elétrica sem resistência, mas essa característica valiosa pode ser quebrada quando elétrons giram em forma como de tornados minúsculos chamados vórtices. Estes minitornados se formam muitas vezes na presença de campos magnéticos, tais como os produzidos pelos motores elétricos.

       Para manter as supercorrentes fluindo em alta velocidade, os cientistas da Johns Hopkins descobriram como restringir os incômodos vórtices, aprisionando-os dentro de nanofios ultrafinos extremamente curtos.

“Nós encontramos uma maneira de controlar os vórtices individuais para melhorar o desempenho de fios supercondutores”, disse Nina Markovic, professora associada do Departamento de Física e Astronomia na Escola Krieger.

       Muitos materiais podem se tornar supercondutores quando arrefecidos a uma temperatura de cerca de 460 F abaixo de zero, o que é conseguido usando hélio líquido.

       O novo método de manter o material de resistência dentro desses supercondutores é importante porque esses materiais têm um papel fundamental em dispositivos tais scanners médicos de MRI, aceleradores de partículas, detectores de fótons e os filtros de frequência de rádio usados em sistemas de telefonia celular. Além disso, espera-se que os supercondutores se tornem componentes críticos em futuros computadores quânticos, que serão capazes de fazer cálculos mais complexos do que as máquinas atuais.

       Uma maior utilização dos supercondutores pode depender de parar o dano causado pelos vórtices de elétrons que destroem a resistência nula. Os cientistas de Johns Hopkins dizem que seus nanofios impedem que isso aconteça.

       Markovic, que supervisionou o desenvolvimento desses fios, disse que outros pesquisadores têm tentado manter vórtices fixos em impurezas no material condutor, o que os torna incapazes de se mover.

       “Bordas também podem fixar os vórtices, mas é mais difícil fixá-los na maior área do material, longe das extremidades”, disse ela. “Para superar esse problema, fizemos uma amostra supercondutora que consiste principalmente de bordas: um nanofio de alumínio muito estreito.”

       Estes nanofios, disse Markovic, são tiras planas de um bilionésimo da espessura de um fio de cabelo humano e cerca de 50 a 100 vezes maior que a sua largura. Cada nanofio forma uma estrada de sentido único que permite aos pares de elétrons siga em frente no ritmo da supercorrente.

       Vórtices podem se formar quando um campo magnético é aplicado, mas por causa do design ultrafino do material, “apenas uma linha de vórtice curto pode caber dentro dos nanofios”, disse Markovic. “Porque existe uma borda em cada lado deles, os vórtices estão presos no lugar e a supercorrente pode simplesmente deslizar em torno deles, mantendo a velocidade livre de resistência.”

       A capacidade de controlar o número exato de vórtices no nanofio pode produzir benefícios adicionais, dizem físicos especialistas. Futuros computadores ou outros dispositivos podem um dia usar vórtices em vez de cargas elétricas para transmitir informações, dizem.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-02-ultra-thin-nanowires-electron-twisters-disrupt.html

Fonte2: http://journals.aps.org/prl/pdf/10.1103/PhysRevLett.114.077002

Ponto de virada da supercondutividade: do nicho para o mercado (Superconductivity's turning point from niche to mass markets)

John Durrell. Professor de Supercondutividade. Crédito: Keith Heppell

A seguir, uma entrevista com o Dr. John Durrell, professor recém-nomeado em supercondutividade, por Philip Guildford, diretor de pesquisa:

Philip: A descoberta da supercondutividade de alta temperatura, em 1987, criou uma enorme quantidade de interesse científico e da mídia, mas, em seguida, desapareceu da vista do público. O que aconteceu?

John: A supercondutividade intriga especialistas e leigos igualmente. Resistência nula à eletricidade, enormes campos magnéticos, e levitação magnética, são coisas de ficção científica. Antes de 1987, o fenômeno foi observado em materiais a -255 °C. Em 1987, verificou-se em novos materiais a -183 °C. Ainda muito frio, mas pode ser conseguida com nitrogênio líquido, em vez de hidrogênio, e sistemas de resfriamentos mais baratos. Todo mundo ficou muito animado, possivelmente muito animado, com a ideia de usar esses materiais em aplicações cotidianas. Era impossível para os cientistas e engenheiros entregarem resultados imediatamente de modo a coincidir com a campanha publicitária e, inevitavelmente, o foco da mídia mudou para a próxima grande novidade.

Philip: Então, que progresso tem sido feito desde a descoberta?

John: Enorme quantidade de trabalho árduo longe dos holofotes da mídia produziu fios supercondutores e materiais que são usados ​​em todos os tipos de aplicações, como scanners de ressonância magnética usados em hospitais, ímãs de campo muito altos para pesquisa e em dispositivos muito sensíveis para medir campos magnéticos. Mas agora tudo está configurado para ir mais rápido.

Philip: Por que este é o momento de transição?

John: Em nosso grupo no Departamento de Engenharia, chegamos ao ponto em que podemos fazer grandes amostras de supercondutor com propriedades fantásticas. Recentemente, quebramos o recorde mundial para o campo magnético preso em um supercondutor (http://iopscience.iop.org/0953-2048/27/8/082001/). Temos um processo industrial para a produção deste material. Isso abre a porta para o uso de campos magnéticos muito mais elevados em aplicações cotidianas, como motores e geradores. Por exemplo, podemos imaginar navios comerciais comuns correndo com supercondutores na sala de máquinas. Mark Ainslie em nosso grupo está trabalhando em protótipos que esperamos ser de apenas 25% do volume de um motor convencional. Além disso, Suchitra Sebastian e colegas no Laboratório Cavendish em Cambridge, revelaram uma base teórica para explicar por que os materiais supercondutores que usamos podem acelerar a nossa caça por materiais ainda melhores. A combinação de processos industriais para fazer os materiais, protótipos práticos e uma forte base teórica cria esse momento de transição em nosso campo.

Philip: O que vem pela frente?

John: O trabalho duro de construir uma maior compreensão, melhorar os materiais, aumentar a produção e fazer tudo robusto o suficiente para uso industrial. À medida que trabalhamos em estreita colaboração com as empresas, o progresso para o mercado vai saltar adiante e, provavelmente, em direções inesperadas, com a interface entre o meio acadêmico e a indústria gerando frequentemente oportunidades imprevistas excitantes.

Philip: E para você pessoalmente?

John: Eu me sinto privilegiado por estar cuidando do grupo do professor David Cardwell por cinco anos, enquanto ele é Chefe do Departamento de Engenharia. Eu quero fazer muito mais do que ser apenas o zelador. Eu quero manter o ritmo que David tem construído ao longo dos anos, manter o espírito de equipe, desenvolver as nossas ligações industriais e aproveitar ao máximo este ponto de virada para a supercondutividade. Depois de cinco anos, eu quero que David e a equipe se sintam orgulhosos de nossos resultados: novas descobertas científicas e de engenharia, demonstrações de máquinas supercondutoras e empresas que trabalham com a gente para usar supercondutores em novas aplicações práticas.

Fonte1: http://phys.org/news/2015-03-superconductivity-niche-mass.html