Processador supercondutor mais próximo da realidade

Redação do Site Inovação Tecnológica -  08/08/2017

Fluxons

       Anote na sua agenda a nova quasipartícula que está se habilitando para impulsionar um salto qualitativo na informática: os fluxons.

       Inicialmente conhecidos como vórtices de Abrikosov (Alexei Abrikosov 1928-2017), os fluxons são quasipartículas que emergem na superfície dos supercondutores quando eles são submetidos a um campo magnético. Curiosamente, o campo magnético destrói a supercondutividade naquele ponto, com o fluxon emergindo da circulação de uma pequena corrente elétrica induzida pelo magnetismo.

       Em outras palavras, o fluxon pode ser entendido como um quantum de campo magnético.

       Agora, uma equipe da Universidade de Viena, na Áustria, demonstrou que esses objetos quantizados são particularmente adequados para armazenamento e processamento de dados, bastando que eles sejam organizados da forma correta.

       Para isso, a equipe criou uma espécie de “caixa de ovos quântica”, onde cada buraco acomoda um fluxon de forma estável e regular, criando uma matriz com centenas de milhares de fluxons, prontos para servirem de base para a computação ou para o armazenamento de bits.

       Isto representa o coroamento de um longo esforço rumo à criação de circuitos digitais em supercondutores - além da velocidade e da elevada densidade de dados, um processador supercondutor virtualmente elimina os problemas de aquecimento dos processadores atuais, permitindo dar um salto em termos de velocidade de processamento.

Estrutura (em cima) e microfotografia (embaixo) da armadilha de fluxons. [Imagem: G. Zechner et al. - 10.1103/PhysRevApplied.8.014021]

Em um supercondutor perfeitamente homogêneo, os fluxons emergem na forma de uma rede hexagonal. Mas essa estrutura em equilíbrio não serve para muita coisa. Com a nova armadilha artificial, torna-se possível organizar as quasipartículas em qualquer formação que se desejar, colocando-as em um arranjo fora do equilíbrio, adequado para codificar e processar informações.

       Georg Zechner e seus colegas criaram uma matriz de 180.000 fluxons. Dependendo do campo magnético externo, eles mudam de organização de uma forma que só é possível em se tratando de objetos quânticos: ao contrário dos ovos, onde cada depressão da caixa pode conter apenas um, na matriz cada armadilha pode ficar vazia, ter um fluxon ou ter vários fluxons - um caminho para o uso da nanoestrutura também pela computação quântica.

       “Mesmo após dias nós observamos precisamente o mesmo arranjo de fluxons - uma estabilidade de longo prazo que é particularmente surpreendente para um sistema quântico,” disse Zechner.

       A equipe agora planeja fabricar nanoestruturas mais sofisticadas, que permitirão a transferência sistemática de fluxons de uma armadilha para a outra. Este deverá ser outro passo pioneiro rumo ao desenvolvimento de circuitos de computador baseados em quasipartículas e materiais supercondutores.

Bibliografia: Hysteretic Vortex-Matching Effects in High-Tc Superconductors with Nanoscale Periodic Pinning Landscapes Fabricated by He Ion-Beam Projection. G. Zechner, F. Jausner, L. T. Haag, W. Lang, M. Dosmailov, M. A. Bodea, J. D. Pedarnig. Physical Review Applied. Vol.: 8, 014021. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.014021

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=fluxons-abrem-caminho-processador-supercondutor&id=010110170808&ebol=sim

Primeira observação direta do movimento de vórtices em supercondutores (First direct observation and measurement of ultra-fast moving vortices in superconductors)

Esta foto mostra quatro imagens diferentes de vórtices que penetram a taxas de dezenas de GHz em um filme supercondutor de chumbo e que viajam a velocidades de até 20 km/s. As trajetórias do vórtice, que aparecem como linhas manchadas, mostram uma estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série de bifurcações em ramos. Cada imagem é feita em um campo magnético diferente e cada imagem é 12x12 μm². Crédito: Yonathan Anahory/Universidade Hebraica.

Pesquisadores fizeram a primeira observação visual direta e a medição da dinâmica de vórtices ultra-rápidos em supercondutores. Sua técnica, detalhada na revista Nature Communications, poderia contribuir para o desenvolvimento de novas aplicações práticas ao otimizar as propriedades supercondutoras para uso em eletrônica.

A supercondutividade, em geral, pode ser suprimida na presença de campos magnéticos, limitando a capacidade de uso desses materiais em aplicações da vida real. Uma certa família de supercondutores, chamada de tipo 2, pode suportar valores muito maiores de campos magnéticos. Isto é graças à sua capacidade de permitir que o campo magnético ‘atravesse’ o material de forma quantizada, em uma forma tubular local chamada de vórtice. Infelizmente, na presença de correntes elétricas, esses vórtices experimentam uma força e podem começar a se mover. O movimento dos vórtices provoca resistência elétrica, o que, novamente, representa um obstáculo para as aplicações.

Compreender quando e como os vórtices se moverão ou permanecerão localizados é o foco de muita pesquisa científica. Até agora, abordar a física dos vórtices em movimento rápido demonstrou ser extremamente desafiador, principalmente devido à falta de ferramentas adequadas.

Este filme mostra a dinâmica de vórtice conduzida por diferentes correntes. Em baixas correntes, os vórtices são estacionários e aparecem como pontos brilhantes. Em correntes maiores, os vórtices se movem a 20 km/s e aparecem nesta técnica como uma linha manchada. Crédito: Yonathan Anahory/Universidade Hebraica.

Agora, uma equipe internacional de pesquisadores liderada pelo Prof. Eli Zeldov do Weizmann Institute of Science e o Dr. Yonathan Anahory, mostrou pela primeira vez como esses vórtices se movem em supercondutores e quão rápido eles podem viajar. Eles usaram uma nova técnica de microscopia chamada SQUID-on-tip, que permite a imagem magnética em alta resolução sem precedentes (cerca de 50 nm). A técnica foi desenvolvida na última década no Instituto Weizmann.

Usando este microscópio, eles observaram vórtices que fluem através de um filme supercondutor fino a taxas de dezenas de GHz e viajam a velocidades muito mais rápidas do que se pensava possível, até cerca de 72000 km/h (45000 mph). Isso não é apenas muito mais rápido do que a velocidade do som, mas também excede o limite de velocidade de quebra do condensado supercondutor, o que significa que um vórtice pode viajar 50 vezes mais rápido do que o limite de velocidade da supercorrente que o conduz. Isso seria como dirigir um objeto para viajar ao redor da Terra em pouco mais de 30 minutos.

Nas fotos e vídeos mostrados pela primeira vez, as trajetórias do vórtice aparecem como linhas manchadas cruzando de um lado a outro do filme. Isso é semelhante ao desfocar de imagens em fotografias de objetos em movimento rápido. Eles mostram uma estrutura em forma de árvore com um único caule que sofre uma série de bifurcações em ramos. Este fluxo de canal é bastante surpreendente, uma vez que os vórtices normalmente se repelem e tentam espalhar o máximo possível. Aqui os vórtices tendem a se seguir, o que gera a estrutura semelhante a uma árvore.

De frente para trás: Professor Eli Zeldov do Weizmann Institute of Science, Dr. Yonathan Anahory da Universidade Hebraica de Jerusalém e Dr. Lior Embon. Crédito: Weizmann Institute of Science.

          Uma equipe de físicos teóricos dos EUA e da Bélgica, liderada pelos professores Alexander Gurevich e Milorad Miloševic, explicou parcialmente essa descoberta pelo fato de que, quando um vórtice se move, a resistência aquece localmente o material, o que torna mais fácil os demais vórtices seguirem a mesma rota. “Este trabalho oferece uma visão da física fundamental da dinâmica de vórtices em supercondutores, crucial para muitas aplicações”, disse o Dr. Lior Embon, que era, na época, o estudante responsável por este estudo. “Essas descobertas podem ser essenciais para o desenvolvimento da eletrônica supercondutora, abrindo novos desafios para teorias e experiências na ainda inexplorada gama de campos e correntes eletromagnéticas muito altas".

“A pesquisa mostra que a técnica SQUID-on-tip pode abordar alguns problemas pendentes da supercondutividade sem equilíbrio, vórtices ultra-rápidos e muitos outros fenômenos magnéticos à escala nanométrica”, disse o Dr. Yonathan Anahory.

Além disso, os resultados das simulações sugerem que, através do desenho adequado da amostra e da remoção de calor melhorada, deve ser possível alcançar velocidades ainda maiores. Nesse regime, as frequências calculadas de penetração de vórtices podem ser ‘empurradas’ para o intervalo de freqüência de THz muito tecnicamente desejado.

A pesquisa descobre a rica física de vórtices ultra-rápidos em filmes supercondutores e oferece uma perspectiva ampla para novas investigações experimentais e teóricas. No futuro, essa tecnologia poderia permitir aos pesquisadores testar projetos que visam reduzir o movimento dos vórtices e melhorar as propriedades dos supercondutores.

Fonte1: https://phys.org/news/2017-07-ultra-fast-vortices-superconductors.html

Fonte2: L. Embon et al, Imaging of super-fast dynamics and flow instabilities of superconducting vortices, Nature Communications (2017). DOI: 10.1038/s41467-017-00089-3. Read more at: https://phys.org/news/2017-07-ultra-fast-vortices-superconductors.html#jCp

Supercondutor à temperatura ambiente é mesmo possível

Pulsos ultracurtos de laser permitiram tirar fotografias da estrutura eletrônica do material conforme ele retornava de uma fase de não-equilíbrio. [Imagem: Pixabay]

Laser revelador

       Um experimento com raios laser pulsados, usados em pesquisas de materiais, revelou algo com que o mundo da tecnologia sonha há muito tempo: supercondutores que funcionam a temperatura ambiente são mesmo possíveis.

       A revelação veio quando um composto cerâmico de cobre, oxigênio e bismuto foi analisado por Simone Peli, da Universidade Católica do Sagrado Coração, na Itália.

       Usando as fontes de raio laser pulsado do laboratório SISSA, Simone e seus colegas conseguiram identificar a condição exata em que os elétrons no material não se repelem mutuamente, o que é essencial para que a eletricidade flua sem resistência.

       A novidade é que tudo ocorreu a temperatura ambiente, e não nas temperaturas criogênicas necessárias para que a supercondutividade se manifeste nos materiais usados hoje em máquinas de exames médicos ou em laboratórios como o LHC.

Supercondutor a temperatura ambiente

       A equipe se concentrou em um supercondutor específico, que tem propriedades físicas e químicas altamente complexas, sendo composto por quatro tipos diferentes de átomos, incluindo cobre e oxigênio - ele pertence à família dos cupratos.

       “Usando um pulso de laser, nós tiramos o material do seu estado de equilíbrio. Um segundo pulso, ultracurto, então nos permitiu desembaraçar os componentes que caracterizam a interação entre os elétrons enquanto o material estava retornando ao equilíbrio. Metaforicamente, foi como tirar uma série de fotografias das diferentes propriedades desse material em momentos diferentes,” escreveu a equipe em seu artigo.

       Por meio desta abordagem, Simone e seus colegas descobriram que “neste material, a repulsão entre os elétrons e, portanto, suas propriedades isolantes, desaparece mesmo a temperatura ambiente. É uma observação muito interessante, pois este é o pré-requisito essencial para transformar um material em um supercondutor.”

O desafio agora é ir mudando cuidadosamente a estrutura química do material - sua receita - até conseguir que a supercondutividade se manifeste a temperatura ambiente. [Imagem: Simone Peli et al. - 10.1038/nphys4112]

Impactos ambientais positivos

       Tendo descoberto que os pré-requisitos para a fabricação de um supercondutor à temperatura ambiente de fato existem, a equipe acredita que agora será uma questão de calibrar os ingredientes que formam o material para obter um supercondutor a temperatura ambiente.

       “Poderemos usar este material como um ponto de partida e mudar sua composição química, por exemplo,” explicaram os pesquisadores.

       Quando conseguirem isto - além de ficarem todos milionários - eles estarão lançando as bases de uma verdadeira revolução industrial, mudando toda a infraestrutura energética, o que incluirá uma drástica redução no consumo de energia, com enormes impactos ambientais positivos.

Bibliografia:

Mottness at finite doping and charge instabilities in cuprates. Simone Peli, S. Dal Conte, R. Comin, N. Nembrini, A. Ronchi, P. Abrami, F. Banfi, G. Ferrini, D. Brida, S. Lupi, M. Fabrizio, A. Damascelli, M. Capone, G. Cerullo, C. Giannetti. Nature Physics. DOI: 10.1038/nphys4112.

Fonte: http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=supercondutor-temperatura-ambiente-mesmo-possivel&id=010115170522&ebol=sim

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