Um impulso para a lógica supercondutora (A Boost for Superconducting Logic)

Figura 1: Nas válvulas supercondutoras de spin projetadas por Aarts e colaboradores, o alinhamento relativo dos dois ferromagnets (CrO₂, em roxo; Ni, em laranja) determina a temperatura de transição (T_C) de uma camada supercondutora (MoGe, em cinza). (Superior) Quando as magnetizações são paralelas (ou antiparalelas), apenas pares de elétrons com spins antiparalelos ("pares singletos") podem vazar para a camada de Ni, e estes pares não podem entrar no CrO₂ porque este material é totalmente spin polarizado. (Inferior) Quando as magnetizações estão desalinhadas, pares singletos podem se transformar em pares tripletos de spin iguais, que podem, por sua vez, vazar no CrO₂. Esta fuga adicional suprime a supercondutividade ainda mais, e reduz a T_C. A supressão é maior quando o ângulo de desalinhamento é 90∘.

Uma nova escolha de materiais leva a mais válvulas supercondutoras de spin úteis

O componente chave de memórias magnéticas e sensores é um dispositivo chamado válvula de spin, cuja resistência elétrica depende do alinhamento relativo das magnetizações de dois elementos ferromagnéticos finos. Os pesquisadores estão interessados ​​em desenvolver análogos supercondutores da válvula de spin para usar em tecnologias de "memória" criogênica que consomem pouca energia e dissipam pouco calor. Nesse caso, alterar o alinhamento relativo dos dois ferromagnetos desloca a temperatura de transição (T_C) de uma fina camada supercondutora adjacente, um efeito que pode ser usado para ligar o estado supercondutor (ou desligar) e reduzir (ou aumentar) a resistência total do dispositivo. Porém, até agora, os deslocamentos da T_C observados nos ensaios são muito pequenos para o uso prático. Jan Aarts e seus colegas da Universidade de Leiden, na Holanda, demonstram válvulas supercondutoras de spin com alterações da T_C por quase 1K [1], uma ordem de magnitude maior em comparação com os regimes anteriores.

        Nos metais ferromagnéticos, um exchange no campo interno gera um desequilíbrio no número de elétrons com spin "up" e "down". Uma corrente elétrica que passa através de um ferromagneto irá, por conseguinte, transportar uma corrente de spin, em adição à carga, com a maioria dos spins apontando paralelo à magnetização e a minoria apontando antiparalelo. Tais correntes spin-polarizadas são utilizadas em aplicações de lógica e de sensores. Encontrar maneiras eficientes e práticas para gerar e controlar tais correntes é um dos principais objetivos da spintrônica.

        O dispositivo mais famoso da spintrônica é a válvula de spin. Na sua forma mais simples, a válvula de spin é uma multicamada ferromagnética/normal/ ferromagnética (F/N/F). Menor dispersão de spin ocorre quando as duas camadas F são paralelas do que quando são antiparalelas, pois a configuração paralela tem menor resistência. Este efeito "magnetorresistência gigante" (GMR) foi reconhecido com o PrêmioNobel de Física em 2007 e é a base das cabeças de leitura em discos rígidos magnéticos.

        Mesmo antes à descoberta da GMR, Pierre de Gennes [2] - e mais tarde outros teóricos [3,4,5] -propuseram a válvula de spin supercondutora. Essa estrutura em camadas é constituída por uma fina camada supercondutora (S) entre dois ferromagnéticos (F/S/F) [2,3,4] ou uma camada supercondutora empilhada em cima de dois ferromagnéticos (M/M/S) [5]. Ainda que os portadores de carga dos supercondutores sejam pares de elétrons com spin opostos e não transportem uma corrente de spin, a T_C do supercondutor numa válvula de spin pode depender do alinhamento da magnetização das camadas ferromagnéticas. Isto resulta do chamado efeito de proximidade supercondutor, que envolve a fuga de elétrons emparelhados da camada S nas camadas vizinhas F, suprimindo a supercondutividade que ocorre a uma T_C inferior.

        Em 2002, Gu et al. demonstraram este efeito da válvula de spin supercondutora utilizando dispositivos F/S/F [6], mas a diferença medida na T_C (ΔT_C) entre a configuração com as camadas F paralelo e antiparalela foi inferior a 10 millikelvin (mK), que é comparável à largura da transição e muito pequeno para interruptores supercondutores práticos. A teoria quaseclássica prevê valores maiores de ΔT_C que pode ser uma fração significativa de T_C. Apesar da extensa pesquisa experimental sobre a válvula de spin supercondutora, os pesquisadores ainda têm de atingir valores de ΔT_C/T_C que são grandes o suficiente para aplicações práticas.

        Em seus dispositivos (Fig.1), Aarts e seus colegas tiram proveito de um determinado tipo de efeito de proximidade supercondutor que envolve a conversão de pares singletos para pares tripletos com spins paralelos (pares tripletos de igual-spin). A conversão ocorre quando os elétrons emparelhados em um supercondutor encontram uma interface com um campo magnético não homogêneo [7,8]. Ao encontrar um exchange de campo ferromagnético, pares singletos ganham momentum (mistura de spin), o que resulta na criação de tripletos de spin zero, ou seja, projeção de pares com spin zero ao longo do eixo de magnetização. Ao contrário dos pares singletos, tripletos de spin zero podem existir em diferentes formas com sua projeção de spin dependendo da orientação dos eixos de magnetização-quantização. E, se os pares de tripleto de spin zero encontram uma segunda camada ferromagnética que está desalinhada com a camada ferromagnética onde foram formados, os diferentes componentes do tripleto podem transformar uma na outra. Este processo de rotação de spin favorece a geração de pares tripletos de igual-spin e aumenta o efeito de proximidade que suprime supercondutividade e reduz a T_C. Em 2010, os teóricos propuseram que o efeito pode ser utilizado para manipular um efeito de válvulas de spin em estruturas de F/F/S [9]. Com as duas camadas F desalinhados por 90^∘, a magnetização seria maximamente inomogênea, fazendo a T_C declinar drasticamente em relação ao seu valor quando as camadas F forem alinhadas paralela ou antiparalelamente.

        Embora esse comportamento tenha sido observado experimentalmente em dispositivos F/F/S usando ferromagnéticos metálicos [10,11], a maior supressão relatada da T_C foi apenas cerca de 120 mK [11]. Aarts e seus colegas conseguiram uma supressão muito maior devido a uma escolha inteligente do material para uma das camadas F. Seus dispositivos consistem em camadas CrO₂/Cu/Ni/MoGe (Fig.1), onde o CrO₂ e o Ni são camadas ferromagnéticas ‘sanduichadas’ por um espaçador não magnético (Cu), e o MoGe é um supercondutor com uma T_C de 6 K. Ao contrário dos ferromagnéticos metálicos, que são apenas parcialmente spin-polarizados, o CrO₂ é um ferromagnético meio-metálico cujos elétrons na energia de Fermi são 100% spin-polarizados. Isto significa que os processos de espalhamento que "viram" o spin de um elétron não ocorrem no CrO₂. Como resultado, os pares tripletos spin-polarizados podem viajar muito além da camada supercondutora que é possível em ferromagnéticos metálicos. Isso aumenta o efeito supercondutor de proximidade e leva a diferenças maiores na T_C entre os estados ferromagnéticos alinhados e desalinhados. Usando um campo magnético para girar a camada ferromagnética do Ni, os pesquisadores foram capazes de mudar a T_C por 1 K.

        A descoberta de que ferromagnéticos meio-metálicos são o segredo para uma grande supressão na T_C é uma excelente oportunidade para o desenvolvimento de interruptores supercondutores controlados por magnetização. Isto porque a T_C varia ao longo de uma vasta gama de temperaturas, o que significa que o estado de resistência do dispositivo é altamente estável a mudanças de temperatura. Válvulas de spin tripletos supercondutoras podem realizar funções lógicas quase equivalentes a dispositivos GMR (embora a temperaturas mais baixas), mas potencialmente com uma eficiência muito maior de dissipação de energia que é minimizada pela presença da supercondutividade. Os resultados de Aarts e colegas, portanto, motivam o estudo de dispositivos mais complexos que combinam o não equilíbrio do transporte de spin e da coerência de fase supercondutora. Tais dispositivos poderiam ser utilizados para controlar o estado magnético de válvulas de spin supercondutoras, e potencialmente o fluxo de calor, mas eletricamente, em vez de com os campos magnéticos.

Fonte: http://physics.aps.org/articles/v8/49

Esta pesquisa está publicada no Physical Review X.

Referências

1.    A. Singh, S. Voltan, K. Lahabi, and J. Aarts, “Colossal Proximity Effect in a Superconducting Triplet Spin Valve Based on the Half-Metallic Ferromagnet CrO₂,” Phys. Rev. X 5, 021019 (2015)

2. P. G. De Gennes, “Coupling between Ferromagnets through a Superconducting Layer,” Phys. Lett. 23, 10 (1966)

3. L. R. Tagirov, “Low-Field Superconducting Spin Switch Based on a Superconductor/Ferromagnet Multilayer,” Phys. Rev. Lett. 83, 2058 (1999)

4. A. I. Buzdin, A. V. Vedyayev, and N. V. Ryzhanova, “Spin-Orientation-Dependent Superconductivity in F/S/F Structures,” Eur. Phys. Lett. 48, 686 (1999)

5. S. Oh, D. Youm, and M. R. Beasley, “A Superconductive Magnetoresistive Memory Element Using Controlled Exchange Interaction,” Appl. Phys. Lett. 71, 2376 (1997)

6. J. Y. Gu, C.-Y. You, J. S. Jiang, J. Pearson, Ya. B. Bazaliy, and S. D. Bader, “Magnetization-Orientation Dependence of the Superconducting Transition Temperature in the Ferromagnet-Superconductor-Ferromagnet System: CuNi/Nb/CuNi,” Phys. Rev. Lett. 89, 267001 (2002)

7. F. S. Bergeret, A. F. Volkov, and K. B. Efetov, “Long-Range Proximity Effects in Superconductor-Ferromagnet Structures,” Phys. Rev. Lett. 86, 4096 (2001)

8. J. Linder and J. W. A. Robinson, “Superconducting Spintronics,” Nature Phys. 11, 307 (2015)

9. Ya. V. Fominov, A. A. Golubov, T. Yu. Karminskaya, M. Yu. Kupriyanov, R. G. Deminov, and L. R. Tagirov, “Superconducting Triplet Spin Valve,” JETP Lett. 91, 308 (2010)

10.                   P.V. Leksin, N.N. Garif’yanov, I. A. Garifullin, Ya. V. Fominov, J. Schumann, Y. Krupskaya, V. Kataev, O. G. Schmidt, and B. Büchner, “Evidence for Triplet Superconductivity in a Superconductor-Ferromagnet Spin Valve,” Phys. Rev. Lett. 109, 057005 (2012)

11.                      X. L. Wang, A. Di Bernardo, N. Banerjee, A. Wells, F. S. Bergeret, M. G. Blamire, and J. W. A. Robinson, “Giant Triplet Proximity Effect in Superconducting Pseudo Spin Valves with Engineered Anisotropy,” Phys. Rev. B 89, 140508 (2014)

Levitação e magnetismo

O projeto brasileiro do MagLev, trem de passageiros que funciona por meio da tecnologia de levitação magnética, envolve importantes conceitos de física. Professor explica na CH os fenômenos que permitem a esse veículo se mover sem tocar nos trilhos.

Por: Beto Pimentel

Publicado em 28/05/2015 | Atualizado em 28/05/2015

Cientistas holandeses já fizeram um sapo levitar com o auxílio de um campo magnético gerado por uma espiral. (foto: Cortesia Lijnis Nelemans/ High Field Magnet Lab/ Radboud University Nijmegen)

       “Wingardium leviosa”, o encanto da levitação, é uma das primeiras magias que os alunos de Hogwarts aprendem a conjurar na famosa série de livros que narra as aventuras do aprendiz de bruxo Harry Potter. Mas, no mundo dos ‘trouxas’ (o mundo real), levitar requer um pouco mais de engenho: é preciso exercer alguma força de baixo para cima naquilo que se quer fazer levitar, compensando a força da gravidade.

       Um livro pousado sobre uma mesa está levitando: como ele não a atravessa nem sobe em direção ao teto, seu peso, então, está sendo compensado por outra força, para cima, de mesma intensidade, a qual denominamos ‘normal’.

       Porém, a real natureza da força ‘normal’ é a repulsão entre cargas elétricas de mesmo sinal. Quando a atração gravitacional puxa o livro em direção à mesa, os elétrons das camadas externas dos átomos da superfície do livro repelem e são repelidos pelos elétrons das camadas mais superficiais da mesa. E é essa repulsão simultânea de ‘zilhões’ de elétrons que constitui a força normal. Assim, o livro efetivamente flutua sobre um ‘colchão’ de elétrons.

       A força elétrica cai com o quadrado da distância; por isso, tanto a repulsão entre os prótons (positivos) do livro e aqueles da mesa quanto a atração entre os prótons de um corpo e os elétrons do outro são insignificantes para compor a força ‘normal’, pois essas cargas estão separadas por ‘grandes’ distâncias: em média, um núcleo é 100 mil vezes menor que o átomo.

       Além da repulsão eletrostática entre os elétrons, entra em cena também o princípio de exclusão de Pauli – homenagem ao físico austríaco Wolfgang Pauli (1900-1958). Esse princípio da mecânica quântica (teoria que lida com os fenômenos atômicos e subatômicos) proíbe que os elétrons do livro e os da mesa ocupem o mesmo estado – dito de forma simples, impede que ocupem ‘o mesmo lugar no espaço’ –, dando origem a outra força repulsiva de curto alcance entre os elétrons.

       Mas o livro não levita ‘de verdade’, certo? De fato, não. Se assim fosse, nosso cotidiano estaria repleto de levitação, até ao caminharmos pela rua! Trata-se apenas do que chamamos forças ‘de contato’. Algo semelhante dá origem ao atrito. Ao empurrarmos o livro para um lado, percebemos que é preciso fazer uma força para vencer o atrito com que os elétrons da superfície microscopicamente irregular da mesa tentam empurrá-lo de volta à posição original.

Levitação... de verdade

Então, para fazer um corpo levitar de verdade (sem aspas), precisaríamos elevá-lo a uma distância considerável – pelo menos, alguns milímetros –, para ficarmos livres do atrito com a superfície. Aí, sim, ao aplicarmos nele uma pequena força, ele se movimentaria sem atrito – e a única limitação seria a resistência do ar, relevante só para grandes velocidades.

Mas como obter aquela elevação? Poderíamos, por exemplo, amplificar a repulsão eletrostática: se a carga elétrica (de mesmo sinal) de dois corpos for suficientemente grande, a força de repulsão entre eles faria um deles levitar sobre o outro.

Porém, qualquer contato acidental poderia descarregar um dos corpos, diminuindo ou eliminando a força e, assim, interrompendo a levitação. Além disso, para valores muito altos de carga, o próprio ar passaria a conduzir eletricidade, e surgiriam pequenas (ou grandes!) centelhas, que drenariam a carga dos corpos eletrizados, cessando o efeito.

Um modo mais seguro de obter o mesmo resultado seria usar, em vez da força elétrica, a força magnética. Nos ímãs, polos de mesma natureza se repelem, e polos opostos se atraem. E, se a intensidade dessa repulsão for grande, um ímã pode fazer o outro levitar.

Há, claro, um problema de estabilidade: qualquer pequeno desvio do alinhamento entre os dois ímãs destruiria o equilíbrio. Mas isso pode ser resolvido com arranjos estáveis de vários ímãs, como comprovam os vários trens de levitação magnética atualmente em operação no mundo, inclusive no Brasil.

De fato, nem seria necessário usar dois ímãs. Bastaria um ímã e, por exemplo, um bloco de material ferromagnético, pois o campo magnético do ímã magnetizaria o material, transformando-o em um segundo ímã (figura 1). O problema, nesse caso, é que a força entre ambos seria atrativa. Portanto, para que houvesse levitação, o material ferromagnético teria que estar por baixo do ímã, em vez de por cima.

Um material ferromagnético, na presença de um campo magnético (no caso, induzido por um eletroímã), transforma-se em um ímã temporário. (ilustração: Luiz Baltar)

       Materiais diamagnéticos – que são repelidos por campos magnéticos – também poderiam ser alinhados para produzir a levitação, pois a magnetização os transformaria em um ‘ímã invertido’, levando à repulsão magnética. Porém, em geral, isso requer campos magnéticos muito intensos.

Eletroímãs e supercondutores

Os chamados eletroímãs também permitem gerar levitação. Quando um fio condutor é percorrido por uma corrente elétrica, ele cria em torno de si um campo magnético. Se o fio for enrolado, formando uma ou mais espiras, as linhas do campo magnético se assemelham às de um ímã permanente – daí, o termo eletroímã. Dependendo do sentido em que a corrente percorre a espiral, o polo norte é produzido em um ou em outro lado da espiral (figura 2).

Dependendo do sentido da corrente elétrica, o polo norte é produzido num ou noutro lado da espiral. (ilustração: Luiz Baltar)

       Usando esse efeito, cientistas holandeses já fizeram levitar um sapo e outros bichos pequenos, pois a água do corpo dos animais é formada por moléculas polares, que apresentam comportamento diamagnético. Mas, para isso, é preciso campos magnéticos imensos, ou seja, correntes elétricas muito altas percorrendo as espirais.

       O uso de materiais supercondutores – que se comportam como diamagnéticos ideais – possibilita a levitação com campos magnéticos comparativamente baixos. O problema, no entanto, é manter o supercondutor a temperaturas muitíssimo baixas (cerca de -200°C!).

       Uma coisa é fazer levitar. Outra, porém, é mover o trem. A solução engenhosa para o problema é o motor de indução linear. A ideia básica consiste em manipular o sentido da corrente elétrica dos eletroímãs colocados ao longo dos trilhos. Cada um desses eletroímãs ora atrai um ímã preso ao trem – quando o ímã se aproxima dele –, ora o repele – quando o ímã acaba de passar por ele. Desse modo, o trem é continuamente impelido para a frente.

       É, sem dúvida, uma sincronia complexa, mas é só uma questão de manipular convenientemente as correntes nos eletroímãs. Esse tipo de arranjo – usado, por exemplo, para puxar para cima os carrinhos de montanhas-russas modernas – permite controlar a corrente nos eletroímãs, para atingir não só forças de tração intensas, mas também grandes acelerações. A Nasa (agência espacial dos EUA) já está testando um foguete cujo primeiro estágio seria substituído por um sistema semelhante, barateando o lançamento de grandes cargas para o espaço.

Beto Pimentel

Colégio de Aplicação

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Fonte: http://cienciahoje.uol.com.br/revista-ch/2015/325/levitacao-e-magnetismo

Conversão eficiente de correntes de spin em correntes de carga em um supercondutor (Efficient conversion from spin currents to charge currents in a superconductor)

Ilustração esquemática do dispositivo para a medição do SHE em um supercondutor. Injeção de corrente de spin (I) entre o ferromagnético (Py) e o não magnético (cobre: ​​Cu) gera correntes de spin puras (J_S) no cobre. Correntes puras de spin fluem através do cobre em um supercondutor (nitreto de nióbio: NbN), e são convertidas em correntes de carga (JQ) através da SHE no interior do nitreto de nióbio. (Imagem: Taro Wakamura)

Pesquisadores da Universidade de Tóquio mediram pela primeira vez com êxito o efeito Hall de spin em um supercondutor ("Quasiparticle-mediated spin Hall effect in a superconductor"). O efeito Hall de spin é responsável pela conversão de fluxo magnético em fluxo de corrente e não foi estudado em detalhes em supercondutores.

A spintrônica, campo de pesquisa que explora o spin do elétron, tem atraído um interesse crescente nas últimas décadas. Ela nos permite transmitir e manipular a informação com menor consumo de energia, devido à supressão do efeito Joule usando correntes puras de spin, um fluxo do momento angular do spin dos elétrons sem qualquer fluxo de carga.

        Correntes puras de spin podem ser geradas e detectadas através do efeito Hall de spin (spin Hall effect - SHE). A amplitude do SHE depende do material. Um maior SHE indica conversão mais eficiente entre corrente de carga e corrente de spin, assim, muitos estudos têm sido realizados para descobrir materiais que apresentam um maior SHE. Considerando que metais normais, como platina ou tungstênio são tidos como candidatos promissores para a obtenção de grande SHE, pouca atenção tem sido dada ao SHE em supercondutores.

        O grupo de pesquisa do professor Otani relatou a primeira observação do SHE em um supercondutor. O grupo preparou um dispositivo utilizando nitreto de nióbio, e mediu o SHE nos estados supercondutor e normal. Explorando o caráter eletrônico não convencional dos supercondutores, o SHE no estado supercondutor torna-se mais de 2.000 vezes maior do que no estado normal.

        Este resultado avança sobre a realização de circuitos lógicos de spin e no futuro desenvolvimento da spintrônica em dispositivos supercondutores.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40447.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4276.html

Duplicando a eficiência com a supercondutividade

Avanços tecnológicos tornaram o aquecimento por indução alimentada por Corrente Contínua (CC), uma alternativa comercialmente viável em algumas aplicações, quando comparado ao aquecimento por indução por Corrente Alternada (CA) convencional.

O aquecimento por indução convencional CA tem sido utilizado na indústria desde os anos 20. Em 1990, um novo conceito emergiu para o aquecimento por indução por CC com o uso de poderosos eletromagnetos. As tecnologias de cabos magnéticos e o acionamento de motores disponíveis naquela época, entretanto, não permitiram a incorporação econômica do conceito. A partir do surgimento comercial dos cabos supercondutores de alta temperatura (high-temperature superconductors - HTS) e dos avanços em acionamentos a estado sólido, este conceito de quase 20 anos de existência torna-se agora um produto comercialmente viável.

Princípios de Funcionamento

O aquecimento por indução depende de correntes parasitas induzidas para aquecer um objeto condutor. Quando um material condutor é exposto a um campo magnético de tempo variável, correntes elétricas – correntes parasitas – são induzidas no material. Em um aquecedor de tarugo por indução convencional, uma bobina eletromagnética feita de cobre envolve o tarugo metálico (Figura 1). Quando uma corrente alternada é aplicada à bobina de cobre, um campo eletromagnético é gerado e, como conseqüência, correntes parasitas são induzidas no tarugo aquecendo-o devido a sua resistência – fenômeno denominado Efeito Joule.

A bobina eletromagnética é geralmente feita de tubulação de cobre resfriada a água, uma vez que a alta corrente na bobina de excitação de cobre engendra em perdas ôhmicas e, por este motivo precisa ser resfriada para prevenir que se derreta. O aquecimento da bobina de cobre é a principal fonte de perda de energia nesta abordagem. Esta perda de energia é dada pela proporção das resistências da bobina de cobre e do tarugo de metal. Uma vez que a bobina de cobre e um metal não ferroso apresentam resistividade muito similares, a energia é dividida de forma equivalente entre eles. Este efeito é ampliado pelo fato de sermos obrigados a posicionar a bobina de indução o mais próxima possível do tarugo, desta forma o condutor recebe aquecimento adicional do tarugo já aquecido. Por este motivo, a eficiência do aquecedor por indução convencional CA para o aquecimento de alumínio ou cobre atinge apenas os 50% ou menos. Além da pouca eficiência dos aquecedores por indução convencionais CA, o usuário necessita providenciar compensação VAR considerável para o circuito oscilante, a fim de aumentar o fator de potência e reduzir perdas das utilidades. Finalmente, esses circuitos requerem ajustes nas alterações de dimensões do tarugo, ligas e potência de aquecimento.

        Todas essas lacunas não se aplicam aos arranjos do supercondutor conforme descrito na Figura 1. Em um aquecedor por indução supercondutora CC, supercondutores muito eficientes eletricamente são utilizados para a criação de um grande campo magnético CC. A supercondução é um fenômeno que ocorre quando certos materiais são resfriados para temperaturas baixas, resultando em grandes correntes elétricas que fluem praticamente sem resistência. Por este motivo, são necessários menos de 200 W de energia para criar um campo magnético para aquecedores por indução CC. O campo permanece CC e não apresentará variações, entretanto, a peça precisará mover-se para que sejam criadas correntes parasitas. Assim, rota-se o tarugo. A rotação induz correntes parasitas no tarugo, o qual trabalha em movimento oposto ao da rotação. Este é também o princípio do freio magnético por indução. O grande torque de travagem é superado pelo uso de motores grandes e eficientes (exemplo: tamanho de 200 kW -400 kW). A partir da rotação do tarugo, a energia utilizada pelos motores é transferida para o tarugo, o qual é aquecido por correntes parasitas. A fonte de energia, portanto, não está na bobina que produz o campo magnético, porém nos eficientes motores. Toda energia utilizada para fazer rotar o tarugo é transferida para seu aquecimento. As poucas perdas se resumem à eletrônica, ao sistema de acionamento de motores, bem como quanto ao sistema de resfriamento do indutor. Porém o resultado total do maquinário quanto a eficiência energética é superior a 80%. O consumo típico para o aquecimento de alumínio é de 150 kWh por tonelada métrica de tarugos aquecidos nesta configuração, a qual é ainda melhor se comparado com a utilização de fornos a gás altamente eficientes.

Vantagens do Aquecedor por Indução HTS

Além da óbvia vantagem quanto à significativa eficiência em energia se comparada ao aquecimento por indução convencional, há outras vantagens em relação a esta inovadora abordagem, como qualidade do produto, repetibilidade e facilidade na operação, detalhadas a seguir.

Vantagens quanto à Qualidade do Produto

Nos aquecimentos por indução convencionais de 50-60 Hz, as correntes parasitas encontram-se basicamente localizadas na superfície do tarugo, devido ao fenômeno denominado “efeito superficial”, o qual é compreendido como uma intensa função da frequência. A penetração da corrente parasita aumenta na medida em que a frequência diminui ou que o campo magnético aumenta, resultando em um aquecimento mais uniforme. O aquecimento por indução convencional geralmente depende de uma linha de frequência de 50-60 Hz, ao passo que a abordagem do tarugo em rotação aqui descrita utiliza uma velocidade de rotação de aproximadamente 240-600 RPM, a qual corresponde a 4-10 Hz. Os benefícios do aquecimento mais profundo estão ilustrados nos resultados experimentais apresentados na Figura 2.

Na Figura 2, mostramos os resultados de um experimento utilizando termopares e furos em um tarugo de latão. Um dos termopares está localizado na linha central do tarugo, enquanto o outro está localizado bem próximo à superfície. Durante o aquecimento, o tarugo é paralisado quatro vezes até atingir os 675 ºC. A cada parada, realiza-se a leitura e o registro dos dois termopares. Conforme demonstrado, os dois termopares registram a mesma temperatura, até mesmo para o latão, que possui condutividade térmica muito inferior se o compararmos ao alumínio ou ao cobre. Em um sistema convencional de aquecimento por indução, a superfície apresenta-se mais quente que o centro durante o aquecimento (devido ao efeito superficial mencionado anteriormente), tornando-se necessário o encharque do tarugo para que alcance o equilíbrio térmico. No sistema de indução por rotação do tarugo, ilustrado graficamente na Figura 3, o encharque não é necessário, desta forma o aquecimento e a capacidade de processamento acontecem de forma mais rápida.

Vantagens na Repetibilidade

Além do aquecimento mais uniforme, a técnica do tarugo em rotação descrita acima proporcionou resultados com temperaturas possivelmente repetíveis de tarugo a tarugo. Isto se deve ao fato de que a uniformidade das temperaturas radial e axial é estabelecida, de imediato, durante o processo de aquecimento e não após a remoção do tarugo do forno. Desta forma, conforme demonstrado na Figura 4, a variação de temperatura do tarugo é reproduzível a +/- 4 ºC no comprimento do tarugo e de tarugo a tarugo. A figura também ilustra a capacidade do aquecedor em criar duas zonas de temperatura no interior do tarugo – uma zona mais quente na parte frontal e outra mais fria na parte de trás. Ademais, apesar de não demonstrado na figura, a temperatura linear estreita-se cerca de 1 ºC/cm.

Vantagens na Produção e no Funcionamento

A máquina é muito simples mecanicamente, apresentando fáceis procedimentos de instalação e mínimos requisitos quanto à manutenção se comparada aos aquecedores convencionais por indução CA. Além do potencial elétrico, a máquina CC utiliza somente um sistema hidráulico para fornecer pressão de pinçamento dos motores ao tarugo e simples e pequenos resfriadores de água para os trocadores de calor nas unidades de refrigeração. É importante notar que não há necessidade de compensação de potencial reativo para a administração do fator de potência como nas máquinas de indução convencionais. Ademais, tarugos de diferentes comprimentos podem ser aquecidos sem quaisquer ajustes adicionais de bobinas ou fator de potencia, além de não comprometerem em eficiência. A câmara de aquecimento não contém partes complexas em movimento para o transporte do tarugo e os acionadores, tanto quanto as bobinas, são completa e termicamente blindados para protegerem-se do tarugo aquecido. Finalmente, o magneto supercondutor é durável e não há necessidade de reposição ao longo da vida da máquina, pois não é exposto ao calor ou a vibrações. Por este motivo, não é preciso fazer a manutenção da bobina, considerada questão de prioridade para as máquinas convencionais.

Máquina em Destaque

A máquina ilustrada na Figura 5 foi entregue em julho de 2008 para uma empresa comercial de extrusão de alumínio em Minden, Alemanha. As características funcionais mais gerais estão dispostas a seguir:

- Capacidade: 2.2 toneladas/hora (48 tarugos/hora) alumínio

- Tamanho do tarugo: 7 polegadas (178mm) x 27 polegadas (690mm)

- Temperatura máxima: 520 ºC

- Potência de acionamento: 360 kW

- Potência da Bobina: < 200 W

- Consumo de Energia: < 150 kWh/t

O coração do sistema é um magneto supercondutor, o qual está contido em um recipiente termicamente isolado denominado criostato. O criostato mantém a bobina refrigerada. Os magnetos supercondutores e os criostatos de aço são tecnologias muito maturadas utilizadas em inúmeras aplicações industriais, bem como na área médica, como, por exemplo, em máquinas de MRI, sistemas de detenção NMR etc. Acima do magneto localiza-se uma pequena caixa contendo o refrigerador. Trata-se de um item comercialmente disponível, pronto para o uso, que, ao conectar-se com a linha de força, cria um ambiente frio para o magneto. É o mesmo princípio de funcionamento de um refrigerador doméstico. O magneto cria um campo magnético, o qual penetra em duas câmaras de aquecimento termicamente isoladas, no interior das quais encontram-se tarugos em rotação. Os motores de qualquer dos lados do tarugo fornecem a energia de rotação. Esses motores podem escorregar para dentro ou para fora, a fim de acomodar tarugos de diferentes cumprimentos. Eles possuem flanges que seguram o tarugo durante a rotação sem produzir qualquer dano ou deformação. A simplicidade é um dos pontos-chave sobre esta máquina. O único item a ser aquecido é o tarugo. Nenhum componente crítico é exposto a altas cargas de aquecimento, vibrações ou qualquer outra influência potencialmente danosa. Os principais componentes são os motores, tratando-se de tecnologia muito maturada; os refrigeradores, os quais são também bastante desenvolvidos; e o magneto supercondutor, mantido em segurança em um robusto compartimento de aço. Os requisitos para a manutenção são fáceis e mínimos.

Resumo

A tecnologia dos supercondutores tem sido aplicada na produção de uma nova geração de aquecedores por indução de não-ferrosos, com tempos mais curtos de aquecimento e eficiência em dobro quando em comparação aos aquecedores por indução convencionais. Um elemento chave destas máquinas singulares é a rotação da peça. Os Aquecedores por Indução Supercondutores, encontrados em tamanhos de 0.25 MW de razão térmica revolucionam o aquecimento de tarugos de alumínio, cobre e latão anterior à extrusão – reduzindo à metade a demanda por energia, bem como os custos operacionais. As bobinas por indução são fabricadas a partir de material supercondutor avançado, arrefecido com máquina compactada e estruturada com poder de refrigeração a 30 K, com alta corrente CC que implica em um nível de perdas praticamente ínfimo. Com o intuito de criar o efeito de aquecimento por indução, o tarugo é colocado em rotação em um campo eletromagnético de alta potência – A variação da velocidade é determinada pelo tamanho do tarugo e pelo tipo de material. Além de dobrar a eficiência operacional, o Aquecedor por Indução Supercondutor requer pouca manutenção e apresenta vida funcional durável, devido às cargas térmicas não convencionais. Pela mesma razão, a troca de ferramentas é mais rápida e mais segura. Desta forma, o resultado aponta para uma melhora quanto à produção, flexibilidade e custos operacionais.

Para maiores informações: contatar Larry Masur, Ph.D. da Zenergy Power Inc., 379 Oyster Point Boulevard. Suite 1, South San Francisco, CA; Tel: +1781-783-8501; e-mail: Larry.Masur@zenergypower.com, web:

www.zenergypower.com

Fonte: http://www.revistaih.com.br/artigo-tecnico/duplicando-a-eficiencia-com-a-supercondutividade/2727

Uma rota para desenvolver nanodispositivos supercondutores (A route to developing superconducting nano-devices)

Ferro (Fe) círculos verdes, selênio (Se) círculos azuis. A temperatura de transição supercondutora é sintonizada através da introdução de elétrons por deposição de átomos de potássio K (círculos laranja) na superfície. Círculos amarelos representam um par de elétrons supercondutores (par de Cooper). (Imagem: Takashi Takahashi)

    

Um grupo de pesquisa da Universidade de Tohoku conseguiu fabricar um filme supercondutor atomicamente fino de alta temperatura crítica (T_C = 60 K ou -213 °C). A equipe, liderada pelo professor Takashi Takahashi, também estabeleceu o método para controlar/sintonizar a T_C.

Esta descoberta não só fornece uma plataforma ideal para investigar o mecanismo da supercondutividade no sistema bidimensional, mas também abre o caminho para o desenvolvimento de dispositivos supercondutores em nanoescala da próxima geração. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Materials (clique aqui).

Supercondutores são considerados como um dos candidatos mais promissores para os dispositivos eletrônicos avançados da próxima geração. Porém, a aplicação de supercondutores em dispositivos tem sido muito difícil. O maior obstáculo é a necessidade de um sistema de refrigeração grande e dispendioso com hélio líquido, devido à baixa T_C dos supercondutores convencionais, que é próxima do zero absoluto (0 K ou -273 °C). Também tem sido um grande desafio realizar a integração de alta densidade de supercondutores em dispositivos eletrônicos. A fim de ultrapassar estes problemas, é definitivamente necessário desenvolver um novo supercondutor com T_C superior que possa ser fabricado numa película fina.

A equipe de pesquisa da Universidade de Tohoku voltou sua atenção para o seleneto de ferro (FeSe), que é um membro dos supercondutores à base de ferro. Enquanto a T_C do FeSe é de apenas 8 K (-265 °C), a assinatura de uma maior T_C tem sido sugerida em filmes ultrafinos e sua verificação foi urgentemente necessária.

Inicialmente, os pesquisadores fabricaram filmes atomicamente finos de FeSe de alta qualidade. Os filmes possuem espessura entre uma monocamada (que corresponde a 3 átomos de espessura) e vinte monocamadas (60 átomos de espessura), e foram fabricados usando a técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE – feixe molecular epitaxial). Em seguida, eles investigaram cuidadosamente a estrutura eletrônica dos filmes finos usando o método Angle-Resolved Photoemission Spectroscopy (ARPES - espectroscopia de fotoemissão com resolução angular).

Elétrons são emitidos a partir da superfície pela incidência de luz ultravioleta. A estrutura eletrônica do cristal é determinada através da medição da energia e o ângulo de emissão dos elétrons. (Imagem: Takashi Takahashi)

Nas medidas da ARPES, os investigadores observaram a abertura de um gap supercondutor a baixa temperatura, que é uma prova direta da emergência da supercondutividade nos filmes. Os investigadores encontraram que a T_C estimada a partir do gap em um filme de monocamada é surpreendentemente elevada (acima de 60 K), que é cerca de 8 vezes maior do que a T_C de amostras volumétricas do FeSe.

Enquanto filmes multicamadas não mostram supercondutividade, os pesquisadores descobriram um novo método para depositar átomos alcalinos sobre os filmes e controlar a densidade de elétrons no filme. Ao empregar este método, os pesquisadores conseguiram converter os filmes multicamadas de não-supercondutores em supercondutores de alta T_C ~ 50 K.

O resultado dá um grande impacto para ambas as pesquisas básicas e aplicadas em supercondutores. Pode conduzir à intensas pesquisas visando aumentar ainda mais a T_C, alterando o número de camadas atômicas, a quantidade de elétrons dopados e as espécies do substrato. Abre uma via para o desenvolvimento de um nanodispositivo supercondutor que consiste em partes de tamanho atômico. O supercondutor ultrafino de alta-T_C pode contribuir eficazmente para o redimensionamento significativo e consequente integração de alta densidade em circuitos elétricos, levando à realização de dispositivos eletrônicos de futura geração com alta economia de energia e operação de ultra-alta velocidade.

Fonte1: http://www.nanowerk.com/nanotechnology-news/newsid=40278.php

Fonte2: http://www.nature.com/nmat/journal/vaop/ncurrent/full/nmat4302.html

Pesquisadores usam Mira para olhar dentro dos supercondutores de alta temperatura (Researchers use Mira to peer inside high-temperature superconductors)

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando o supercomputador Mira para investigar o estado magnético em diferentes níveis de pressão, do seleneto de ferro, um conhecido supercondutor de alta temperatura. Crédito: Lucas Wagner, Universidade de Illinois

Pesquisadores da Universidade de Illinois estão usando recursos de supercomputação do Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), para estudar a natureza misteriosa dos supercondutores de alta temperatura.

Com temperaturas críticas que variam de 30 a 130 Kelvin, esta classe relativamente nova de supercondutores de alta temperatura é nova apenas no nome. Antes da sua descoberta, em 1986, acreditava-se que a supercondutividade só poderia ocorrer em temperaturas abaixo de 30 Kelvin.

     A descoberta de supercondutores de alta temperatura levou a inúmeras pesquisas que resultaram na identificação de vários outros supercondutores, mas a origem de suas propriedades únicas permanece indefinida.

     “Nós ainda não temos uma teoria universal para os supercondutores de altas temperaturas”, disse Lucas Wagner, professor assistente na Universidade de Illinois. “O objetivo do nosso trabalho no ALCF é dar um passo a mais na compreensão desses sistemas”.

     Com uma melhor compreensão dos mecanismos que dão origem à supercondutividade de alta temperatura, os cientistas poderão projetar novos materiais e desenvolver tecnologias a partir deles.

Supercondutores convencionais (de baixa temperatura), são utilizados em ressonância magnética e aceleradores de partículas, mas suas aplicações cotidianas são limitadas porque os materiais requerem sistemas de refrigeração muito caros e difíceis de trabalhar.

     “É possível que os supercondutores de alta temperatura amenizem algumas dessas deficiências e levem a outras aplicações potenciais, como linhas de transmissão de energia e motores elétricos, bem mais viáveis”, diz Wagner.

     No ALCF, Wagner e sua equipe estão usando o supercomputador Mira para simular o magnetismo do seleneto de ferro em diferentes níveis de pressão. O estudo foi inspirado no trabalho experimental que demonstrou que o seleneto de ferro é supercondutor a temperaturas elevadas quando submetidos a altas pressões.

Os pesquisadores realizam simulações da estrutura eletrônica do seleneto de ferro em um nível de detalhe sem precedentes. Até agora, os cálculos tem ajudado a compreender melhor o comportamento magnético do material e porque ele muda com a pressão, fornecendo evidências para apoiar a noção de que a supercondutividade de alta temperatura é de origem magnética.

     “As propriedades dos elétrons são determinadas por um equilíbrio entre uma tendência de se espalhar, evitar um ao outro e estar perto dos núcleos”, diz Wagner. “No seleneto de ferro, nós confirmamos que o equilíbrio entre essas três coisas leva a um caráter magnético incomum. E que este equilíbrio muda com a pressão”.

     As simulações de alta precisão não teriam sido possíveis sem um supercomputador massivamente paralelo como o Mira. Os materiais supercondutores são sistemas fortemente correlacionados, prever o seu comportamento depende do cálculo das interações entre seus elétrons. Métodos computacionais tradicionais, como a teoria do funcional da densidade, em média, desconsideram essas interações, o que tornava impossível estudar esses materiais com qualquer precisão no passado.

     Com a crescente disponibilidade de supercomputadores de alto desempenho, o método QMC (quantum Monte Carlo) surgiu como uma ferramenta eficaz para simular explicitamente as interações entre elétrons, abrindo a porta a novos esforços de investigação computacional para uma ampla gama de sistemas que necessitam de previsões realistas de propriedades dos materiais.

     Como o principal desenvolvedor do código aberto QWalk, Wagner está na vanguarda da pesquisa em QMC. Para ajudar a promover a pesquisa no ALCF, ele continua a trabalhar com os engenheiros de desempenho da instalação para melhorar o código no Mira. Até agora, eles têm sido capazes de aumentar a velocidade do QWalk em 20%.

     “Descobrimos que uma quantidade significativa de tempo foi gasto em uma parte do código com um padrão de computação de memória intensiva”, diz Vitali Morozov, principal engenheiro de desempenho de aplicações no ALCF. “Otimizando o uso de estruturas de dados para operações similares levaram a uma redução significativa do estresse sobre a largura de banda de memória”.

     A equipe de Wagner procura entender a diferença entre supercondutores de alta temperatura e materiais não supercondutores que exibem propriedades semelhantes. Eles também utilizam o Mira para prever novos materiais com propriedades promissoras. Os resultados contribuirão para um esforço de colaboração onde outros pesquisadores vão tentar fazer os materiais previstos.

     “Em última análise, esperamos que o nosso trabalho leve a novos supercondutores”, disse Wagner. “Além disso, os métodos e compreensão que estamos desenvolvendo aqui serão aplicáveis a muitas outras áreas críticas, da catálise à energia fotovoltaica”.

Fonte: http://phys.org/news/2015-03-mira-peer-high-temperature-superconductors.html