Quando a eletricidade viaja pelos fios, parte de sua energia é perdida ao longo do caminho. Essa perda, no entanto, pode não ser inevitável. Pesquisadores da Penn State desenvolveram uma nova maneira de detectar materiais conhecidos como supercondutores – substâncias que podem transportar corrente elétrica com resistência zero, o que significa que nenhuma energia é perdida durante a transmissão.
O desafio dos supercondutores frios
Apesar de sua promessa, a maioria dos materiais supercondutores ainda não pode ser usada na tecnologia cotidiana. A sua notável capacidade de conduzir electricidade é exibida apenas a temperaturas extremamente baixas, o que é muito menos prático para sistemas de energia ou electrónica avançada. Apoiada pelo programa “Teoria da Matéria Condensada” do Departamento de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia (DOE), a equipe da Penn State desenvolveu uma nova abordagem computacional que pode prever quais materiais podem exibir supercondutividade, potencialmente abrindo caminho para encontrar aqueles que operam em temperaturas muito mais altas, até mesmo próximas da ambiente.
Um novo olhar sobre um mistério de longa data
Prever a supercondutividade – especialmente em materiais que podem operar em altas temperaturas – continua sendo um desafio não resolvido. As teorias existentes há muito são consideradas precisas apenas para supercondutores de baixa temperatura, explicou Jie-Kui Liu, professor de ciência e engenharia de materiais na Penn State.
“O objetivo sempre foi aumentar a temperatura onde a supercondutividade é mantida”, disse Liu, autor principal de um novo estudo publicado no Ciência e Tecnologia de Supercondutores. “Mas primeiro, precisamos entender exatamente como ocorre a supercondutividade, e é aí que entra o nosso trabalho.”
Como a teoria clássica explica os supercondutores
Durante décadas, os cientistas confiaram na teoria de Bardeen-Cooper-Schreffer (BCS) para explicar como os supercondutores convencionais funcionam em temperaturas extremamente baixas. De acordo com esta teoria, os elétrons se movem sem resistência devido às interações com vibrações na rede atômica, conhecidas como fônons. Essas interações permitem que os elétrons formem o que é conhecido como pares de Cooper, que se movem em sincronia através do material, evitando colisões nucleares e evitando a perda de energia na forma de calor.
“Imagine uma superestrada para elétrons”, explica Liu. “Se houver muitas rotas, os elétrons esbarram nas coisas e perdem energia. Mas se você fizer um túnel reto para eles, como a Autobahn da Alemanha, eles poderão viajar rápida e livremente, sem resistência.”
Busca pelo poder sem resistência
Essa capacidade de transmitir energia sem resistência é o que torna os supercondutores tão promissores, disse Liu. Se os cientistas conseguirem criar materiais supercondutores a altas temperaturas, a electricidade poderá viajar mais longe, de forma mais rápida e eficiente, transformando o sistema eléctrico global. Para compreender esse fenômeno, o projeto apoiado pelo DOE utiliza uma ferramenta computacional conhecida como teoria do funcional da densidade (DFT). A DFT ajuda a modelar como os elétrons se comportam em condutores comuns em comparação com supercondutores. A equipe levanta a hipótese de que, embora o DFT não modele diretamente os pares de Cooper, ele prevê que a densidade eletrônica deve se assemelhar à dos elétrons emparelhados, permitindo aos pesquisadores estudar um possível comportamento supercondutor.
Até recentemente, a teoria BCS e a DFT – uma descrevendo pares de elétrons, a outra enraizada na mecânica quântica – eram tratadas separadamente. A equipe de Liu encontrou uma maneira de conectar essas estruturas, criando uma nova maneira de prever a supercondutividade.
Apresentando a Teoria Zentropia
A descoberta centra-se num conceito chamado teoria da gentropia. Este método combina os princípios da mecânica estatística, que estuda o comportamento coletivo de muitas partículas, com a física quântica e a modelagem computacional moderna. A teoria da Zentropia relaciona a estrutura eletrônica de um material para revelar como suas propriedades mudam com a temperatura, quando ele é transformado de um estado supercondutor para um estado não supercondutor. Para aplicar a teoria, os cientistas devem compreender como um material se comporta no zero absoluto (zero Kelvin), a temperatura mais fria possível, onde todo o movimento atômico cessa. A equipe de Liu mostrou que mesmo a DFT – embora não tenha sido originalmente destinada ao estudo de supercondutores – pode fornecer informações importantes sobre quando e como a supercondutividade ocorre.
Prevendo a próxima geração de supercondutores
Segundo Liu, o novo método permite aos cientistas prever se um material pode se tornar supercondutor. A teoria da Zentropia pode então prever a temperatura crítica na qual o material perde essa propriedade. A teoria clássica do BCS explica com sucesso os supercondutores que operam apenas em temperaturas muito baixas, mas falha nas variedades de alta temperatura, onde os pares de Cooper se dissociam mais facilmente. Através da modelagem DFT, o grupo de Liu descobriu que em supercondutores de alta temperatura, as “superestradas” de elétrons são estáveis devido a uma estrutura atômica única – como uma ponte flutuante que flexiona com as ondas, permitindo que os elétrons se movam suavemente mesmo quando as vibrações térmicas aumentam.
Usando esta abordagem combinada, a equipe previu com sucesso o comportamento supercondutor em materiais convencionais e de alta temperatura, que a teoria tradicional não conseguia explicar. Eles previram a potencial supercondutividade do cobre, prata e ouro – metais normalmente não considerados supercondutores – possivelmente porque precisariam de temperaturas extremamente baixas para que o efeito aparecesse. Essas descobertas poderiam acelerar a descoberta de novos materiais que atuem como supercondutores em temperaturas mais altas e práticas.
O próximo passo na pesquisa prática de supercondutores
Os pesquisadores da Penn State planejam agora estender seu trabalho de duas maneiras. Primeiro, eles usarão a teoria da gentropia para prever como a pressão afeta a temperatura na qual os supercondutores perdem sua resistividade. Em segundo lugar, irão pesquisar uma enorme base de dados de cinco milhões de materiais para identificar novos candidatos que possam apresentar supercondutividade. O objetivo é encontrar os materiais mais promissores e colaborar com pesquisadores experimentais para testá-los.
“Não estamos explicando o que já se sabe”, disse Liu. “Estamos criando uma estrutura para descobrir algo completamente novo. Se for bem-sucedida, a abordagem poderá levar à descoberta de supercondutores de alta temperatura que funcionam em ambientes práticos, potencialmente até mesmo à temperatura ambiente, se existirem. Tais avanços poderão ter um enorme impacto na tecnologia moderna e nos sistemas de energia.”
Shun-Li Shang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais na Penn State, é co-investigador do estudo.
O Departamento de Energia dos EUA apoiou esta pesquisa.
