Os supercondutores poderão um dia ajudar a criar uma nova geração de produtos eletrónicos ultraeficientes, mas sérios obstáculos técnicos mantêm a tecnologia em grande parte confinada aos laboratórios de investigação. Agora, cientistas da Universidade de Tecnologia Chalmers, na Suécia, desenvolveram uma nova abordagem que resolve um dos maiores desafios da área: manter a supercondutividade em temperaturas mais altas, bem como resistir a campos magnéticos fortes.
Este progresso poderia ajudar a aproximar as tecnologias supercondutoras do uso prático em eletrônica, sistemas de energia e dispositivos quânticos.
Os actuais dispositivos digitais, centros de dados e redes de tecnologias de informação e comunicação (TIC) são responsáveis por cerca de 6 a 12 por cento do consumo global de electricidade. À medida que a procura de energia continua a aumentar, os investigadores procuram formas de tornar a eletrónica muito mais eficiente.
Os supercondutores são particularmente atraentes porque podem transportar corrente elétrica sem perda de energia. Ao contrário dos sistemas eletrônicos convencionais que dissipam energia na forma de calor, os supercondutores podem transmitir eletricidade sem resistência. Em teoria, isto poderia tornar as redes elétricas, a eletrónica e a tecnologia quântica centenas de vezes mais eficientes.
Por que os supercondutores são difíceis de usar
Apesar da sua promessa, os supercondutores enfrentam vários obstáculos que limitam as suas aplicações no mundo real.
Um dos problemas é a temperatura. Muitos supercondutores só funcionam em temperaturas muito baixas, geralmente em torno de 200 graus Celsius negativos. Alcançar e manter essas temperaturas requer sistemas de resfriamento complexos e que consomem muita energia.
Outro grande problema são os campos magnéticos. Campos magnéticos fortes podem enfraquecer ou até eliminar a supercondutividade. Isto é particularmente importante porque muitos sistemas eletrónicos avançados e tecnologias quânticas criam ou dependem de campos magnéticos.
Para se tornarem práticos para uso generalizado, os materiais supercondutores devem ser capazes de operar em temperaturas mais altas (de preferência próximas à temperatura ambiente), permanecendo estáveis em ambientes magnéticos fortes.
Outra estratégia para melhorar a supercondutividade
Os pesquisadores tentaram durante anos melhorar os supercondutores alterando sua química, mas o progresso foi limitado. A equipe de Chalmers decidiu adotar uma abordagem diferente.
“Ao esculpir a superfície sobre a qual o supercondutor repousa, fomos capazes de induzir a supercondutividade a temperaturas muito mais altas do que era possível anteriormente. Também descobrimos que o material permanece supercondutor mesmo quando exposto a fortes campos magnéticos, “explica Floriano Lombardi, Professor de Física de Dispositivos Quânticos em Chalmers e autor principal do estudo publicado em Comunicações da natureza.
Como uma pequena mudança na superfície fez uma grande diferença
Os pesquisadores trabalharam com óxido de cobre da família do cuprato. Os cupratos já são conhecidos pela sua supercondutividade a temperaturas relativamente altas, mas a sua estrutura química é difícil de alterar depois de produzidos.
A camada supercondutora utilizada no estudo tinha apenas alguns nanômetros de espessura, menos de um milionésimo da espessura de um fio de cabelo humano. Esses materiais ultrafinos devem ser cultivados em um suporte denominado substrato, que atua como modelo durante a fabricação.
A descoberta ocorreu graças a modificações em nanoescala do próprio substrato.
“Como os átomos no substrato estão dispostos numa determinada ordem, eles podem ‘controlar’ como os átomos na camada supercondutora se assentam. Ao alterar o design da superfície do substrato, fomos capazes de influenciar as propriedades supercondutoras e garantir que elas fossem preservadas mesmo em temperaturas mais altas e quando fortes campos magnéticos foram aplicados”, explica Erik Wahlberg, pesquisador do Instituto de Pesquisa RISE da Suécia.
Antes de adicionar o filme supercondutor, a equipe tratou o substrato no vácuo e em alta temperatura. Este processo criou um padrão ordenado de pequenas cristas e vales em toda a superfície.
Essas características microscópicas alteraram o ambiente eletrônico onde o substrato e a camada supercondutora se encontram, criando condições que favoreceram uma supercondutividade mais forte.
“Pudemos ver como as propriedades dos elétrons passaram a ter uma direção preferencial nesta região interfacial e a se comportar de forma a estabilizar e fortalecer o estado supercondutor”, diz Lombardi.
Um novo princípio para projetar supercondutores do futuro
Os resultados obtidos reimaginam materiais supercondutores. Em vez de se concentrarem apenas na descoberta de novos materiais ou na alteração da sua química, os investigadores podem melhorar o desempenho projetando cuidadosamente as superfícies nas quais estes materiais são cultivados.
“Em vez de procurar materiais completamente novos ou manipular as propriedades químicas dos existentes, estamos agora mostrando como a supercondutividade pode ser aumentada esculpindo o substrato”, diz Lombardi.
Os pesquisadores acreditam que esta estratégia poderia eventualmente ajudar os supercondutores a funcionar em temperaturas muito mais altas, potencialmente até se aproximando da temperatura ambiente.
O trabalho também aponta para aplicações futuras em eletrônica com eficiência energética, componentes quânticos avançados e tecnologias que devem operar em campos magnéticos fortes.
“Isso mostra que mudanças muito pequenas em nanoescala podem ter um efeito decisivo e até mesmo desbloquear todo o potencial da supercondutividade na eletrônica do futuro”, diz Lombardi.
Detalhes do estudo
Pesquisa “Aprimoramento da supercondutividade em YBa ultrafino2Cu3Ó7−δ filmes através de substratos em nanoescala”, foi publicado na revista Comunicações da natureza.
Autores: Eric Wahlberg, Ricardo Arpaia, Debmalya Chakraborty, Alexey Kalabukhov, David Vignol, Cyril Proust, Annika M. Black-Shafer, Thila Bauch, Goetz Seibold e Floriana Lombardi.
Os pesquisadores envolvidos no projeto estão associados à Universidade de Tecnologia Chalmers, Institutos de Pesquisa RISE da Suécia, Universidade de Veneza Ca’Foscari, Itália, Instituto Birla de Tecnologia e Ciência – Pilani, Campus KK Birla Goa, Índia, Instituto Indiano de Educação e Pesquisa Científica (IISER), Índia, Universidade de Uppsala, Suécia, Univ. Grenoble-Alpes, Universidade de Toulouse, INSA-T, França e Instituto de Física BTU Cottbus-Senftenberg, Alemanha.
Parte da pesquisa foi realizada nas salas limpas da Myfab Chalmers.
O financiamento foi fornecido pelo Conselho Sueco de Pesquisa (VR), pela Fundação Knut e Alice Wallenberg, pela União Europeia através de uma bolsa EIC Pathfinder e pela Deutsche Forschungsgemeinschaft.
