Quando a eletricidade viaja pelos fios, parte da energia é perdida ao longo do caminho. No entanto, esta perda pode não ser inevitável. Pesquisadores da Penn State desenvolveram um novo método para identificar materiais supercondutores que podem transmitir corrente elétrica com resistência zero, o que significa que nenhuma energia é desperdiçada no processo de transmissão.
O desafio dos supercondutores frios
Apesar desta promessa, a maioria dos materiais supercondutores ainda não está disponível para uso na tecnologia cotidiana. A sua extraordinária capacidade de conduzir eletricidade só ocorre a temperaturas extremamente baixas, muito abaixo das realmente encontradas em sistemas de energia ou dispositivos eletrónicos avançados. Com o apoio do programa Teoria da Matéria Condensada da Ciência da Energia Básica do Departamento de Energia (DOE), uma equipe da Penn State criou um novo método computacional para prever quais materiais têm probabilidade de exibir supercondutividade, o que poderia abrir caminho para a busca por materiais que operam em temperaturas mais altas ou mesmo próximas à temperatura ambiente.
Um mistério de longa data revisitado
Prever a supercondutividade – especialmente em materiais que podem operar a temperaturas mais elevadas – continua a ser um desafio não resolvido. Liu Zikui, professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Estadual da Pensilvânia, explicou que há muito se pensa que as teorias existentes se aplicam apenas a supercondutores de baixa temperatura.
“O objetivo sempre foi aumentar a temperatura na qual a supercondutividade persiste”, disse Liu, principal autor de um novo estudo publicado na revista Science. Ciência e Tecnologia de Supercondução. “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-Schriever (BCS) para descrever 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 (chamadas fônons) na rede atômica. Essas interações emparelham os elétrons nos chamados pares de Cooper, que se movem de forma síncrona através do material, evitando colisões atômicas e evitando que a energia seja perdida na forma de calor.
“Imagine uma rodovia só para eletrônicos”, explica Liu. “Se houver muitas rotas, os elétrons atingirão objetos e perderão energia. Mas se você criar um túnel reto para eles, como as autoestradas na Alemanha, eles poderão viajar rápida e livremente, sem resistência.”
buscar o poder sem resistência
Liu disse que essa capacidade de transferir energia sem resistência é o que torna os supercondutores tão promissores. Se os cientistas conseguirem desenvolver materiais que permaneçam supercondutores a temperaturas mais elevadas, a electricidade poderá ser transmitida mais longe, mais rapidamente e de forma mais eficiente, transformando o sistema energético global. Para compreender este fenômeno, o projeto apoiado pelo Departamento de Energia utilizou uma ferramenta computacional chamada teoria do funcional da densidade (DFT). A DFT ajuda a simular o comportamento dos elétrons em condutores e supercondutores comuns. A equipe levantou a hipótese de que, embora o DFT não modele diretamente os pares de Cooper, a densidade eletrônica que ele prevê deveria ser semelhante à dos elétrons emparelhados, permitindo aos pesquisadores estudar o potencial comportamento supercondutor.
Até recentemente, a teoria BCS e a DFT (uma descreve o emparelhamento de elétrons, a outra está 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.
Introdução à Teoria Zentropia
A descoberta centrou-se num conceito chamado “teoria da entropia”. Esta abordagem combina os princípios da mecânica estatística, que estuda o comportamento coletivo de muitas partículas, com a física quântica e modelos computacionais modernos. A teoria da Zentropia relaciona a estrutura eletrônica de um material à forma como suas propriedades mudam com a temperatura, revelando quando ele transita de um estado supercondutor para um estado não supercondutor. Para aplicar a teoria, os cientistas devem compreender como os materiais se comportam no zero absoluto (zero Kelvin) – a temperatura mais fria possível onde todo o movimento atômico cessa. A equipe de Liu demonstrou que mesmo o DFT – embora não tenha sido originalmente projetado para estudar supercondutores – pode fornecer informações importantes sobre quando e como a supercondutividade ocorre.
Prevendo a próxima geração de supercondutores
O novo método permite aos cientistas prever se um material pode tornar-se supercondutor, disse Liu. A teoria da Zentropia pode então estimar a temperatura crítica na qual um material perde essa propriedade. A teoria clássica do BCS explica com sucesso os supercondutores que só podem operar em temperaturas muito baixas, mas não pode explicar os supercondutores em altas temperaturas porque os pares de Cooper têm maior probabilidade de se dividir em altas temperaturas. Através da modelagem DFT, a equipe de Liu descobriu que em supercondutores de alta temperatura, as “rodovias” de elétrons permanecem estáveis devido a uma estrutura atômica única – semelhante a uma ponte flutuante que se curva 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 tradicionais e de alta temperatura, incluindo comportamento supercondutor que não pode ser explicado pela teoria tradicional. Eles também prevêem que o cobre, a prata e o ouro – metais normalmente não considerados supercondutores – podem ser supercondutores, possivelmente porque requerem temperaturas extremamente baixas para que o efeito ocorra. As descobertas poderão acelerar a descoberta de novos materiais que operem como supercondutores em temperaturas mais altas e mais práticas.
Próximos passos na busca por supercondutores práticos
Os pesquisadores da Penn State planejam agora expandir seu trabalho de duas maneiras. Primeiro, eles usarão a teoria da entropia para prever como a pressão afeta a temperatura na qual os supercondutores perdem resistência. Em segundo lugar, irão pesquisar uma enorme base de dados de 5 milhões de materiais para identificar novos candidatos que possam exibir supercondutividade. O objetivo é encontrar os materiais mais promissores e testá-los em colaboração com pesquisadores experimentais.
“Não estamos apenas explicando o que se sabe”, disse Liu. “Estamos construindo uma estrutura para descobrir algo totalmente novo. Se for bem sucedida, esta abordagem poderá levar à descoberta de supercondutores de alta temperatura que funcionam em ambientes reais, possivelmente até mesmo à temperatura ambiente, se existirem. Tal avanço poderia ter um enorme impacto na tecnologia moderna e nos sistemas de energia.”
Shang Shunli, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais na Penn State, é co-investigador do estudo.
O Departamento de Energia dos EUA apoiou a pesquisa.
