Os supercondutores poderão um dia ajudar a alimentar uma nova geração de produtos eletrónicos ultraeficientes, mas grandes obstáculos tecnológicos mantêm a tecnologia em grande parte confinada aos laboratórios de investigação. Agora, cientistas da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, desenvolveram um novo método que aborda um dos maiores desafios da área: manter a supercondutividade em altas temperaturas e resistir a campos magnéticos fortes.
Os avanços podem ajudar a aproximar as tecnologias supercondutoras do uso prático em eletrônica, sistemas de energia e dispositivos quânticos.
Dispositivos digitais modernos, centros de dados e redes de tecnologia de informação e comunicação (TIC) representam cerca de 6 a 12 por cento do consumo global de electricidade. À medida que a procura de energia continua a aumentar, os investigadores procuram formas de tornar a eletrónica mais eficiente.
Os supercondutores são particularmente atraentes porque podem transportar corrente elétrica sem qualquer perda de energia. Ao contrário dos sistemas eletrônicos convencionais, que dissipam energia na forma de calor, os supercondutores podem transmitir eletricidade sem resistência. Em teoria, isto poderia tornar as redes elétricas, a eletrónica e a tecnologia quântica centenas de vezes mais eficientes.
Por que é difícil usar supercondutores?
Apesar da sua promessa, os supercondutores enfrentam vários obstáculos que limitam as suas aplicações no mundo real.
Um desafio é a temperatura. Muitos supercondutores só funcionam em temperaturas extremamente baixas, geralmente 200 graus Celsius negativos. Alcançar e manter essas temperaturas requer sistemas de resfriamento complexos e que consomem muita energia.
Os campos magnéticos apresentam outro grande problema. Campos magnéticos fortes podem enfraquecer ou até eliminar a supercondutividade. Isto é particularmente importante porque muitos sistemas eletrónicos avançados e tecnologias quânticas geram ou dependem de campos magnéticos.
Para serem práticos para uso generalizado, os materiais supercondutores devem ser capazes de operar em altas temperaturas (idealmente perto da temperatura ambiente) e ser estáveis em ambientes magnéticos fortes.
Uma estratégia diferente para supercondutividade forte
Os investigadores passaram anos a tentar melhorar os supercondutores alterando a sua composição química, mas o progresso tem sido limitado. A equipe de Chalmers decidiu adotar uma abordagem diferente.
“Ao esculpir a superfície na qual o supercondutor é colocado, fomos capazes de induzir a supercondutividade a temperaturas significativamente mais altas do que era possível anteriormente. Também descobrimos que o material permanece supercondutor mesmo quando exposto a fortes campos magnéticos, “explica Floriana Lombardi, professora de física de dispositivos quânticos em Chalmers e principal autora do estudo. Comunicação da natureza.
Como uma pequena mudança na superfície fez uma grande diferença
Os pesquisadores trabalharam com um material de óxido de cobre da família do cuprato. Já se sabe que os cupratos exibem supercondutividade em temperaturas relativamente altas, mas sua composição química é difícil de alterar uma vez formados.
A camada supercondutora utilizada no estudo tinha apenas alguns nanômetros de espessura, menos de um milionésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Esses materiais ultrafinos devem ser cultivados sobre uma base de suporte chamada substrato, que atua como modelo durante a fabricação.
Essa descoberta surgiu através de modificações em nanoescala no próprio substrato.
“Como os átomos do substrato estão dispostos em um determinado padrão, eles podem ‘guiar’ como os átomos da camada supercondutora se assentam. Ao alterar o design da superfície do substrato, fomos capazes de influenciar as propriedades supercondutoras e garantir que elas foram preservadas mesmo em altas temperaturas e quando foram aplicados campos magnéticos elevados.
Antes de adicionar o filme supercondutor, a equipe tratou o substrato no vácuo em altas temperaturas. Este processo criou um padrão ordenado de cristas e vales em toda a superfície.
Essas características microscópicas alteraram o ambiente eletrônico onde o substrato e a camada supercondutora se encontravam, criando condições que favoreciam uma forte supercondutividade.
“Podemos ver como as propriedades dos elétrons iniciam uma orientação preferencial nesta região intercondutora e se comportam de uma forma que estabiliza e fortalece o estado supercondutor”, disse Lombardi.
Um novo princípio de design para futuros supercondutores
Os resultados apresentam uma nova maneira de pensar sobre materiais supercondutores. Em vez de se concentrarem apenas na descoberta de novos materiais ou na alteração da sua química, os investigadores poderão melhorar o desempenho projetando cuidadosamente as superfícies nas quais esses materiais são cultivados.
“Em vez de procurar materiais inteiramente novos ou manipular as propriedades químicas dos materiais existentes, estamos agora mostrando como a supercondutividade pode ser melhorada esculpindo o substrato”, disse Lombardi.
Os pesquisadores acreditam que esta técnica poderia eventualmente ajudar os supercondutores a operar em temperaturas muito mais altas, potencialmente ainda mais próximas da temperatura ambiente.
O trabalho também aponta para aplicações futuras em eletrônica energeticamente eficiente, materiais quânticos avançados e tecnologia que deve operar em campos magnéticos fortes.
“Isso mostra que mudanças muito pequenas em nanoescala podem ter um impacto decisivo e podem até desbloquear todo o potencial da supercondutividade na eletrônica do futuro”, disse Lombardi.
Detalhes do estudo
“Aprimoramento da supercondutividade em YBAs ultrafinos”, afirma o estudo2Ku3E7−δ filmes através de substratos nanofacetados”, foi publicado na revista Comunicação da natureza.
Os autores incluem Eric Wahlberg, Ricardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexey Kalabukhov, David Vignoles, Cyril Proust, Annika M. Black-Shaffer, Thilo Bauch, Gotz Seibold e Floriana Lombardi.
Os pesquisadores envolvidos no projeto são da Chalmers University of Technology, RISE Research Institute, Suécia, Ca’ Foscari University, Itália, Birla Institute of Technology and Science – Pilani, Itália, KK Birla Goa Campus, Índia, Indian Institute of Science Education and Research (IISER), Índia, Universidade de Uppsala, Universidade da Suécia, Universidade, Universidade, Universidade. INSA-T, França, e Institut für Physik, BTU Cottbus-Senftenberg, Alemanha.
Parte da pesquisa foi conduzida na Myfab Chalmers, uma instalação de salas limpas.
O financiamento foi fornecido pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pela União Europeia através de uma bolsa EIC Pathfinder e pela Deutsche Forschungsgemeinschaft.
