Supercondutores são materiais que permitem que a corrente elétrica flua sem resistência. Esta capacidade única torna-os extremamente valiosos para tecnologias como transferência eficiente de energia, armazenamento de energia, sistemas de levitação magnética e computadores quânticos.
O problema é que a supercondutividade normalmente só ocorre em temperaturas muito baixas, bem abaixo das condições normais. Esta limitação impediu o uso prático generalizado. Este quadro começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogênio. Sulfeto de hidrogênio (H3S) torna-se supercondutor a 203 Kelvin (-70 °C), enquanto o decaidreto de lantânio (LaH10) atinge supercondutividade a 250 Kelvin (-23 °C). Essas temperaturas são muito mais altas do que os supercondutores anteriores e acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, por isso os cientistas os classificam como supercondutores de alta temperatura. A sua descoberta marcou um passo importante em direção ao objetivo de longa data da supercondutividade à temperatura ambiente.
A lacuna supercondutora e por que é importante
No cerne da supercondutividade está uma característica conhecida como lacuna supercondutora. Esta propriedade mostra como os elétrons se ligam para formar um estado supercondutor e serve como uma característica clara que distingue um supercondutor de um metal comum.
Compreender o bandgap supercondutor é importante porque reflete diretamente a interação dos elétrons em um material. Sem medir esta lacuna, os cientistas não conseguem explicar completamente porque é que o material se torna supercondutor ou que mecanismo faz com que a resistência desapareça.
Por que é tão difícil medir supercondutores de hidrogênio
Apesar de sua importância, supercondutores ricos em hidrogênio, como H3S foi extremamente difícil de aprender. Estes materiais só podem ser criados sob enorme pressão, mais de um milhão de vezes maior que a pressão atmosférica. 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 supercondutora nestes materiais permaneceu 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 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 planos que pode funcionar em pressões tão extremas. Esta nova abordagem tornou possível sondar diretamente a lacuna supercondutora em H3S pela primeira vez.
Com este método, a equipe obteve uma imagem clara do estado supercondutor dos materiais ricos em hidrogênio, superando uma barreira que limitou o progresso na área durante anos.
O que as medições mostraram
Os pesquisadores descobriram que H3S tem uma lacuna supercondutora totalmente aberta de aproximadamente 60 milielétron-volts (meV). Eles também estudaram sua contraparte de deutério, D3S, que mostrou um gap menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo do hidrogênio e possui mais um nêutron.
Esta diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade em H3S é devido à interação entre elétrons e fônons. Fônons são vibrações quantizadas da rede atômica de um material. Os resultados confirmam previsões teóricas de longa data sobre o mecanismo de supercondutividade em compostos ricos em hidrogênio.
Por que esse avanço é importante
Para os pesquisadores de Mainz, a conquista vai além do sucesso técnico. Ele fornece uma estrutura para identificar as origens fundamentais da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender esta técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, seja possível identificar os principais fatores que permitem a supercondutividade em temperaturas ainda mais altas. Em última análise, isso deverá permitir o desenvolvimento de novos materiais que possam funcionar em ambientes mais práticos, “diz o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.
Mikhail Eremets, uma figura importante na pesquisa de supercondutividade de alta pressão que morreu em novembro de 2024, descreveu a pesquisa como “o trabalho mais importante no campo da supercondutividade de hidreto desde a descoberta da supercondutividade em H3Vasyl Minkov, gerente de projeto de química e física de alta pressão do Instituto Max Planck de Química, acrescentou: “Graças a este trabalho, a visão de Mikhail de supercondutores operando em temperatura ambiente e pressão moderada está um passo mais perto da realidade”.
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 Kamerling Onnes. Durante décadas, os cientistas acreditaram que esse fenômeno só poderia ocorrer em 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 exibiam supercondutividade em alta temperatura à pressão atmosférica normal. Esta descoberta gerou pesquisas em todo o mundo.
Com o tempo, os cientistas atingiram temperaturas críticas (Tc) cerca de 133 K à pressão ambiente e 164 K a alta pressão. O progresso então estagnou até que surgiram compostos ricos em hidrogênio.
Materiais ricos em hidrogênio ultrapassam os limites
A descoberta da supercondutividade em H3S à pressão megabar, com Tc = 203 mil pelo grupo de pesquisa liderado pelo Doutor em Ciências Técnicas Mikhail Yeramets foi um ponto de inflexão. Pouco depois, em hidretos metálicos ricos em hidrogênio, como YH9 (Tc ≈ 244 K) e LaH10 (Tc ≈ 250 K).
Os modelos teóricos atuais sugerem que a supercondutividade acima da temperatura ambiente pode ser possível em vários sistemas dominados por hidrogênio a pressões extremas.
Pares de Cooper e o significado da lacuna supercondutora
Nos metais comuns, os elétrons próximos ao nível de Fermi são livres para se mover. O nível de Fermi representa o nível de energia mais alto que os elétrons podem ocupar em um sólido no zero absoluto. Quando o 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 emparelhamento 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, estabilizando o estado supercondutor contra interferências.
A lacuna supercondutora é a característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem informações importantes sobre como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-se uma impressão digital importante do mecanismo subjacente da supercondutividade.
