Supercondutores são materiais que permitem que a corrente elétrica flua sem resistência. Esta capacidade única torna-os extremamente valiosos para tecnologias como transmissão eficiente de energia, armazenamento de energia, sistemas de levitação magnética e computadores quânticos.
O desafio é que a supercondutividade normalmente só ocorre em temperaturas muito baixas, bem abaixo das condições diárias. Esta limitação impede aplicações práticas generalizadas. Isto começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogênio. Sulfeto de hidrogênio (H3S) atinge supercondutividade a 203 Kelvin (-70°C), enquanto o decaidrato de lantânio (LaH10) atinge supercondutividade a 250 Kelvin (-23°C). Estas temperaturas são muito mais altas do que as dos primeiros supercondutores 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 passo importante em direção ao objetivo de longo prazo da supercondutividade à temperatura ambiente.
A lacuna supercondutora e por que isso é importante
A principal característica da supercondutividade é a lacuna de energia supercondutora. Esta propriedade revela como os elétrons se combinam para formar um estado supercondutor e serve como uma assinatura clara que distingue os supercondutores dos metais comuns.
Compreender a lacuna de energia supercondutora é fundamental 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 medir supercondutores de hidrogênio é tão difícil
Apesar da importância dos supercondutores ricos em hidrogênio, como o H3S é extremamente desafiador de aprender. Esses materiais só podem ser produzidos sob enormes pressões que excedem a pressão atmosférica um milhão de vezes. Devido a essas condições extremas, técnicas amplamente utilizadas, como espectroscopia de tunelamento de varredura e espectroscopia de fotoelétrons com resolução de ângulo, não podem ser aplicadas.
Como resultado, a lacuna supercondutora nestes materiais permanece não medida, deixando uma grande lacuna na compreensão dos cientistas sobre como funciona a supercondutividade a alta temperatura em compostos ricos em hidrogénio.
Uma nova tecnologia de tunelamento quebra barreiras
Para resolver este problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento de elétrons planar que pode operar nessas pressões extremas. Este novo método permite detectar diretamente a lacuna supercondutora em H3Primeira vez S.
Com esta técnica, a equipe obteve imagens nítidas do estado supercondutor de materiais ricos em hidrogênio, superando obstáculos que limitaram o progresso na área durante anos.
O que as medidas revelam
Os pesquisadores descobriram que H3S tem um intervalo de energia supercondutor totalmente aberto de aproximadamente 60 milielétron-volts (meV). Eles também estudaram sua contraparte de deutério D3S, mostra um gap de energia menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo do hidrogênio e também possui um nêutron.
Esta diferença é importante porque confirma a supercondutividade em H3S é impulsionado pela interação entre elétrons e fônons. Fônons são vibrações quantizadas da rede atômica de um material. Estes resultados apoiam previsões teóricas de longa data sobre os mecanismos por trás da supercondutividade em compostos ricos em hidrogénio.
Por que esse avanço é importante
Para os pesquisadores de Mainz, a conquista vai além de um sucesso técnico. Ele estabelece as bases para revelar a origem fundamental da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender esta técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, possamos identificar os fatores-chave que permitem a supercondutividade em temperaturas mais altas. Isso deve levar ao desenvolvimento de novos materiais que possam operar em condições mais realistas”, disse o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.
Mikhail Eremets, líder em pesquisa de supercondutividade de alta tensão que faleceu em novembro de 2024, descreveu esta pesquisa como “o trabalho mais importante no campo da supercondutividade de hidreto desde a descoberta da supercondutividade de hidrogênio”.32015. “Com este trabalho, a visão de Mikhail de operar supercondutores em temperatura ambiente e pressão moderada está um passo mais perto da realidade”, acrescentou Vasily Minkov, chefe do Programa de Química e Física de Alta Pressão do Instituto Max Planck de Química. “
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 Heike Kamerlingh Onnes. Durante décadas, os cientistas pensaram que este fenómeno só poderia ocorrer a temperaturas próximas do zero absoluto (-273°C).
Esta suposição 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 exibem supercondutividade em alta temperatura à pressão atmosférica normal. A descoberta gerou esforços de pesquisa em todo o mundo.
Com o tempo, os cientistas atingiram uma temperatura crítica (tempoc) é de aproximadamente 133 K à pressão ambiente e aproximadamente 164 K em alta pressão. O progresso então estagnou até que surgiram compostos ricos em hidrogênio.
Materiais ricos em hidrogênio ultrapassam limites
Descoberta de supercondutividade em H3S à pressão megabar tem tempoc O = 203 K descoberto pela equipe de pesquisa liderada pelo Dr. Mikhail Eremets representa um ponto de inflexão. Logo depois, temperaturas críticas mais altas (tempoc ≈ 244 K) e LaH10 (tempoc cerca de 250 K).
Os modelos teóricos atuais sugerem que a supercondutividade acima da temperatura ambiente pode surgir em vários sistemas dominados por hidrogênio quando submetidos a pressões extremas.
O significado dos pares de Cooper e da lacuna de energia supercondutora
Nos metais comuns, os elétrons próximos ao nível de Fermi podem se mover livremente. O nível de Fermi representa o nível de energia mais alto do zero absoluto que um elétron pode ocupar em um sólido. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons formam pares chamados pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.
Nesse estado, pares de elétrons se movem juntos sem espalhar fônons ou impurezas na rede cristalina, eliminando a resistência elétrica. Este emparelhamento cria uma lacuna de energia próxima ao nível de Fermi, chamada lacuna supercondutora. Esta lacuna representa a energia mínima necessária para quebrar o par de Cooper e serve como protetor, estabilizando o estado supercondutor contra interferências.
A lacuna de energia supercondutora é uma característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem informações importantes sobre como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-o uma impressão digital importante dos mecanismos supercondutores subjacentes.
