Supercondutores são materiais que permitem que a corrente elétrica flua sem resistência. Esta capacidade única torna-o altamente valioso para tecnologias como transmissão eficiente de energia, armazenamento de energia, sistemas de levitação magnética e computadores quânticos.
O desafio é que a supercondutividade geralmente ocorre em temperaturas muito baixas, muito abaixo das condições diárias. Esta limitação impediu o uso prático generalizado. Esse quadro começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogénio. Sulfeto de hidrogênio (H3S) torna-se supercondutor a 203 Kelvin (-70° Celsius), enquanto o decaidreto de lantânio (LaH10) torna-se supercondutor a 250 Kelvin (-23° Celsius). Esta temperatura é muito superior à dos supercondutores anteriores e acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, razão pela qual os cientistas os classificam como supercondutores de alta temperatura. A sua descoberta marca um grande passo em direção ao objetivo de longa data da supercondutividade à temperatura ambiente.
A lacuna supercondutora e por que ela é tão importante
No cerne da supercondutividade está uma característica conhecida como lacuna supercondutora. Esta propriedade revela como os elétrons se combinam para formar o estado supercondutor e serve como uma assinatura clara que distingue um supercondutor de um metal normal.
Compreender a lacuna supercondutora é essencial porque reflete diretamente como os elétrons interagem dentro do material. Sem medir esta lacuna, os cientistas não conseguem explicar completamente porque é que um material se torna supercondutor ou que mecanismo faz com que a resistência desapareça.
Por que o supercondutor de hidrogênio é tão difícil de medir?
Apesar de sua importância, supercondutores ricos em hidrogênio, como H3S tem sido extremamente desafiador para estudar. Esses materiais só podem ser criados sob enormes pressões que excedem a pressão atmosférica em mais de um milhão de vezes. Devido a essas condições extremas, técnicas amplamente utilizadas, como espectroscopia de varredura por tunelamento e espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo, não podem ser aplicadas.
Como resultado, a lacuna de supercondutividade entre esses materiais não foi quantificada, deixando uma grande lacuna na compreensão dos cientistas sobre como funciona a supercondutividade de alta temperatura em compostos ricos em hidrogênio.
Uma nova técnica de tunelamento quebra a barreira
Para resolver este problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento de elétrons planar que pode operar sob essas pressões extremas. Com este novo método é possível sondar diretamente a lacuna supercondutora em H3Pela primeira vez S.
Com esta técnica, a equipe obteve uma imagem clara do estado supercondutor dos materiais ricos em hidrogênio, superando um obstáculo que limitou o progresso na área durante anos.
O que a medição revela
Os pesquisadores descobriram que H3S tem uma lacuna supercondutora totalmente aberta de aproximadamente 60 milielétron-volts (meV). Eles são sua contraparte de deutério d3S, que mostrou uma pequena lacuna de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo de hidrogênio e possui mais um nêutron.
Esta diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade em H3S é impulsionado por interações entre elétrons e fônons. Fônons são vibrações quantizadas da rede atômica de um material. Os resultados apoiam previsões teóricas de longa data sobre o mecanismo por trás da supercondutividade em compostos ricos em hidrogênio.
Por que esse avanço é importante
Para os investigadores de Mainz, a conquista vai além dos avanços técnicos. Isto fornece uma base para descobrir a fonte fundamental de supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender esta técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, os principais fatores que permitem a supercondutividade em temperaturas mais altas possam ser identificados. Isso permitirá, em última análise, o desenvolvimento de novos materiais que possam operar sob condições mais práticas, “disse o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado
Mikhail Iremets, uma figura importante na pesquisa de supercondutividade de alta pressão que morreu em novembro de 2024, descreveu a pesquisa como “o trabalho mais importante sobre supercondutividade de hidreto desde a descoberta da supercondutividade em H.3S 2015.” Acrescentou Vasily Minkov, líder do projeto de química e física de alta pressão no Instituto Max Planck de Química: “A visão de Mikhail de um supercondutor operando em temperatura ambiente e pressão moderada chega um passo mais perto da realidade com este trabalho.”
Uma breve história da supercondutividade
Supercondutividade refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir corrente elétrica sem resistência. Foi descoberto pela primeira vez em mercúrio puro em 1911 por Heik Kammerling Ones. Durante décadas, os cientistas acreditaram que esse fenômeno só poderia ocorrer em temperaturas próximas do zero absoluto (-273 °C).
Este conceito mudou no final da década de 1980, quando Georg Bednorz e Karl Alexander Müller descobriram supercondutores de óxido de cobre, também conhecidos como cupratos, que exibiam supercondutividade em alta temperatura à pressão atmosférica normal. A descoberta desencadeou um esforço de pesquisa mundial.
Com o tempo, os cientistas atingiram temperaturas críticas (Tc) em torno de 133 K à pressão ambiente e 164 K a alta pressão. O progresso estagnou até que compostos ricos em hidrogênio entraram em cena.
Limita materiais ricos em hidrogênio
Descoberta de supercondutividade em H3S à pressão megabar, incluindo A Tc = 203 O grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Mikhail Iremets representa um ponto de inflexão. Em breve, hidretos metálicos ricos em hidrogênio, como YH9 (Tc ≈ 244 K) e LaH10 (Tc ≈ 250 K).
Os modelos teóricos atuais sugerem agora que a supercondutividade acima da temperatura ambiente pode ser possível em muitos sistemas dominados por hidrogênio quando submetidos a pressões extremas.
Significado dos pares de Cooper e lacuna supercondutora
Em metais comuns, os elétrons próximos ao nível de Fermi podem se mover livremente. O nível de Fermi representa o nível de energia mais alto que os elétrons podem ocupar em um sólido no zero absoluto. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons formam estados emparelhados conhecidos como pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.
Nesse estado, os elétrons emparelhados se movem juntos sem espalhar fônons ou impurezas na rede cristalina, o que elimina a resistência elétrica. Este par cria uma lacuna de energia próxima ao nível de Fermi, chamada lacuna supercondutora. A lacuna representa a energia mínima necessária para quebrar um par de Cooper e desempenha um papel protetor ao estabilizar o estado supercondutor contra a instabilidade.
A lacuna supercondutora é uma característica definidora da supercondutividade. A sua forma e simetria fornecem informações importantes sobre como os eletrões interagem e emparelham, formando uma impressão digital chave do processo supercondutor subjacente.
