Supercondutores são materiais que podem atingir um estado conhecido como supercondutividade, no qual a matéria não possui resistência elétrica e não permite a penetração de campos magnéticos. Em baixas temperaturas, esses materiais são conhecidos por serem isolantes térmicos altamente eficazes e, devido ao chamado efeito de proximidade, também podem influenciar a densidade de estados de fios metálicos ou supercondutores próximos.
Pesquisadores do Istituto Nanoscienze (CNR) e da Scuola Normale Superiore na Itália desenvolveram recentemente um transistor que aproveita essa qualidade específica dos supercondutores. Seu transistor, apelidado de transistor de proximidade de interferência quântica supercondutora térmica (T-SQUIPT), foi introduzido em um artigo publicado na Nature Physics .

“Nosso trabalho está no quadro da caloritrônica coerente de fase que visa visualizar e realizar dispositivos capazes de dominar a transferência de energia em diferentes arquiteturas de tecnologia quântica em nanoescala”, disse Francesco Giazotto, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, à Phys .org.

A principal ideia por trás do T-SQUIPT, o transistor desenvolvido por Giazotto e seus colegas, é ajustar as propriedades térmicas de um metal ou supercondutor controlando suas características espectrais, por meio do chamado efeito de proximidade supercondutor. Essencialmente, o transistor explora a fase quântica supercondutora macroscópica para controlar a densidade de estados em um metal na proximidade do supercondutor, modulando assim suas propriedades de transporte térmico.

“O T-SQUIPT foi proposto pela primeira vez teoricamente por alguns dos autores de nosso artigo recente há vários anos, embora ainda sem uma realização concreta”, disse Giazotto. "Nossa implementação do T-SQUIPT explora um nanofio supercondutor longo como elemento próximo, permitindo-nos demonstrar a possibilidade de ajustar as propriedades de transporte térmico de um supercondutor e também realizar a primeira célula de memória térmica".

Os metais normais são conhecidos por serem bons condutores de eletricidade e calor, pois são capazes de permitir que os elétrons contidos em seus cristais transfiram calor e carga. Em contraste, enquanto os supercondutores são bons condutores elétricos (ou seja, mostrando resistência zero), eles são maus condutores térmicos, pois os principais "portadores livres" em seus cristais são pares de Cooper. Os pares de Cooper são pares de elétrons carregados que não podem transferir calor, pois são de natureza sem dissipação.

"O conceito central do T-SQUIPT é uma ilha nanoscópica de alumínio (Al) que pode ser supercondutora ou semelhante a um metal normal com interferência quântica induzida por dois condutores supercondutores definindo um anel e colocado em bom contato metálico com a ilha," explicou Giazotto.

"Para valores inteiros do fluxo quântico perfurando o loop supercondutor, a supercondutividade é reforçada e a ilha se comporta como um bom isolante térmico. ."

Esse design exclusivo, introduzido pela primeira vez pelos pesquisadores em um artigo publicado em 2014, permite que eles suprimam ou reforcem a supercondutividade em seu transistor à vontade, simplesmente aplicando um campo magnético externo. Como resultado, a condutividade térmica da ilha de alumínio no transistor pode ser totalmente manipulada, tornando-se a chamada válvula térmica.

Como parte de seu estudo recente, Giazotto e seus colegas demonstraram essa capacidade de seu transistor afundando o calor de um eletrodo metálico nele, que também foi acoplado à ilha de alumínio por meio de um contato de túnel. No geral, suas descobertas demonstram a viabilidade de manipular de forma coerente as qualidades de transporte de energia de dispositivos quânticos.

"O T-SQUIPT abre o caminho para a realização de estruturas onde o controle do transporte de calor permite visualizar e realizar as contrapartes térmicas de dispositivos eletrônicos, como transistores térmicos, memórias, portas lógicas e motores termoelétricos", disse Giazotto. “De um ponto de vista fundamental, nosso método também demonstra a possibilidade de investigar modos quânticos sem carga em sistemas de estado sólido, como estados ligados a Majorana e parafermions, que não podem ser detectados por técnicas convencionais de transporte de carga”.

No futuro, o transistor T-SQUIPT pode abrir caminho para a realização de uma variedade de novos dispositivos. O artigo recente também aprimora a compreensão atual da transferência de energia em nanoescala, melhorando potencialmente sua gestão.

No futuro, o recente trabalho de Giazotto e seus colegas poderá inspirar novos estudos investigando as propriedades termodinâmicas quânticas em nanossistemas supercondutores. Em seus próximos estudos, a equipe do Istituto Nanoscienze (CNR) e da Scuola Normale Superiore tentarão melhorar o desempenho do T-SQUIPT, melhorando o design da válvula térmica e usando materiais supercondutores que permitem seu uso em temperaturas de poucos graus Kelvin.

"Também planejamos estudar o tempo de resposta da célula de memória para investigar seu tempo de gravação/apagamento e sua capacidade de reter os dados codificados por vários dias", acrescentou Giazotto. "Isso representaria o próximo passo crucial para uma implementação prática de computação térmica e arquiteturas lógicas de memória". + Explorar mais

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