Os supercondutores são materiais que permitem a passagem de corrente elétrica sem resistência. Essa habilidade única os torna extremamente valiosos para tecnologias como transmissão de energia eficiente, armazenamento de energia, sistemas de levitação magnética e computadores quânticos.
O desafio é que a supercondutividade geralmente ocorre apenas em temperaturas muito baixas, bem abaixo das condições do dia a dia. Essa limitação dificultou o uso prático generalizado. Essa situação começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogênio. O sulfeto de hidrogênio (H3S) torna-se supercondutor a 203 Kelvin (-70°C), enquanto o decahidreto de lantânio (LaH10) alcança a supercondutividade a 250 Kelvin (-23°C). Essas temperaturas são muito mais altas do que os supercondutores anteriores e estão acima do ponto de ebulição do nitrogênio líquido, razão pela qual os cientistas os classificam como supercondutores de alta temperatura. Sua descoberta marcou um importante passo em direção ao objetivo de longo prazo da supercondutividade em temperatura ambiente.
A Lacuna Supercondutora e Por Que É Crucial
No coração da supercondutividade está uma característica conhecida como a lacuna supercondutora. Essa propriedade revela como os elétrons se juntam para formar o estado supercondutor e serve como uma assinatura clara que distingue um supercondutor de um metal comum.
Compreender a lacuna supercondutora é essencial porque reflete diretamente como os elétrons interagem dentro do material. Sem medir essa lacuna, os cientistas não conseguem explicar completamente por que um material se torna supercondutor ou qual mecanismo faz com que a resistência desapareça.
Por Que Medir Supercondutores de Hidrogênio É Tão Difícil
Apesar de sua importância, os supercondutores ricos em hidrogênio, como o H3S, têm sido extremamente desafiadores de estudar. Esses materiais só podem ser criados sob pressões enormes que excedem a pressão atmosférica em mais de um milhão de vezes. Devido a essas condições extremas, técnicas amplamente utilizadas, como espectroscopia de tunelamento e espectroscopia de fotoemissão angular, não podem ser aplicadas.
Como resultado, a lacuna supercondutora nesses materiais permaneceu não medida, deixando uma grande lacuna no entendimento dos cientistas sobre como a supercondutividade de alta temperatura funciona em compostos ricos em hidrogênio.
Uma Nova Técnica de Tunelamento Quebrando a Barreiras
Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento eletrônico planar que pode operar sob essas pressões extremas. Essa nova abordagem tornou possível sondar diretamente a lacuna supercondutora no H3S pela primeira vez.
Com essa técnica, a equipe obteve uma imagem clara do estado supercondutor em materiais ricos em hidrogênio, superando uma barreira que havia limitado o progresso na área por anos.
O Que As Medições Revelaram
Os pesquisadores descobriram que o H3S possui uma lacuna supercondutora totalmente aberta de aproximadamente 60 milioeletrons volts (meV). Eles também estudaram seu equivalente de deutério, D3S, que apresentou uma lacuna menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo do hidrogênio e tem um nêutron a mais.
Essa diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade no H3S é impulsionada pelas interações entre elétrons e fônons. Fônons são vibrações quantizadas da rede atômica de um material. Os resultados apoiam previsões teóricas de longa data sobre o mecanismo por trás da supercondutividade em compostos ricos em hidrogênio.
Por Que Esse Avanço É Importante
Para os pesquisadores em Mainz, a conquista vai além do sucesso técnico. Ela fornece uma base para descobrir as origens fundamentais da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender essa técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, os fatores-chave que possibilitam a supercondutividade em temperaturas ainda mais altas possam ser identificados. Isso deve, em última análise, permitir o desenvolvimento de novos materiais que possam operar sob condições mais práticas,” afirma o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.
Dr. Mikhail Eremets, uma figura proeminente na pesquisa de supercondutividade em alta pressão que faleceu em novembro de 2024, descreveu o estudo como “o trabalho mais importante no campo da supercondutividade em hidretos desde a descoberta da supercondutividade no H3S em 2015.” Vasily Minkov, líder de projeto da Química e Física de Alta Pressão no Instituto Max Planck de Química, acrescentou: “A visão de Mikhail de supercondutores operando em temperatura ambiente e pressões moderadas se aproxima da realidade por meio deste trabalho.”
Uma Breve História da Supercondutividade
A supercondutividade refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir corrente elétrica sem resistência. Foi descoberta pela primeira vez no mercúrio puro em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Durante muitas décadas, os cientistas acreditaram que esse fenômeno só poderia ocorrer em temperaturas próximas ao zero absoluto (-273°C).
Essa 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 de alta temperatura sob pressão atmosférica normal. Esta descoberta gerou esforços de pesquisa em todo o mundo.
Com o tempo, os cientistas alcançaram temperaturas críticas (Tc) de cerca de 133 K à pressão ambiente e 164 K sob alta pressão. O progresso então estagnou até que os compostos ricos em hidrogênio entraram em cena.
Materiais Ricos em Hidrogênio Expandindo Limites
A descoberta de supercondutividade no H3S sob pressões de megabar, com um Tc = 203 K pelo grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Mikhail Eremets, representou um ponto de inflexão. Logo em seguida, temperaturas críticas ainda mais altas foram observadas em hidretos metálicos ricos em hidrogênio, como YH9 (Tc ≈ 244 K) e LaH10 (Tc ≈ 250 K).
Modelos teóricos atuais agora sugerem que a supercondutividade acima da temperatura ambiente pode ser possível em vários sistemas dominados por hidrogênio quando submetidos a pressões extremas.
Pares de Cooper e o Significado da Lacuna Supercondutora
Em metais normais, os elétrons próximos ao nível de Fermi podem se mover livremente. O nível de Fermi representa o maior nível de energia que os elétrons podem ocupar em um sólido a zero absoluto. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons, em vez disso, formam estados pareados conhecidos como pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.
Nesse estado, os elétrons pareados se movem juntos sem se dispersar em fônons ou impurezas na rede cristalina, o que elimina a resistência elétrica. Esse emparelhamento cria uma lacuna de energia próxima ao nível de Fermi chamada de lacuna supercondutora. A lacuna representa a energia mínima necessária para quebrar um par de Cooper e desempenha um papel protetor ao estabilizar o estado supercondutor contra distúrbios.
A lacuna supercondutora é uma característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem uma visão crítica de como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-a uma chave importante para o mecanismo subjacente à supercondutividade.
