Os supercondutores são materiais que permitem que a corrente elétrica flua 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.
A grande dificuldade é que a supercondutividade geralmente ocorre apenas a temperaturas muito baixas, muito abaixo das condições do dia a dia. Essa limitação tem impedido o uso prático em larga escala. Essa realidade começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogênio. O sulfeto de hidrogênio (H3S) se torna supercondutor a 203 Kelvin (-70 °C), enquanto o decahidreto de lantânio (LaH10) atinge a supercondutividade a 250 Kelvin (-23 °C). Essas temperaturas são muito mais altas do que as dos 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 foi um marco importante em direção ao objetivo de longo prazo da supercondutividade em temperatura ambiente.
O Gap Supercondutor e Sua Importância
No coração da supercondutividade está uma característica conhecida como gap supercondutor. Essa propriedade revela como os elétrons se unem para formar o estado supercondutor e serve como uma assinatura clara que distingue um supercondutor de um metal comum.
Entender o gap supercondutor é essencial, pois reflete diretamente como os elétrons interagem dentro do material. Sem medir esse gap, os cientistas não conseguem explicar completamente por que um material se torna supercondutor ou qual mecanismo faz a resistência desaparecer.
Por Que Medir Supercondutores de Hidrogênio É Tão Difícil
Apesar de sua importância, supercondutores ricos em hidrogênio, como H3S, têm sido extremamente desafiadores de estudar. Esses materiais só podem ser criados sob pressões enormes que ultrapassam 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 resolvida em ângulo não podem ser aplicadas.
Como resultado, o gap supercondutor nesses materiais permaneceu não medido, deixando uma lacuna significativa no entendimento dos cientistas sobre como a supercondutividade de alta temperatura funciona em compostos ricos em hidrogênio.
Uma Nova Técnica de Tunneling Ultrapassa a Barreira
Para resolver esse problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento eletrônica planar que pode operar sob essas pressões extremas. Essa nova abordagem tornou possível sondar diretamente o gap supercondutor em 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 limitou o progresso na área por anos.
O Que as Medições Revelaram
Os pesquisadores descobriram que H3S possui um gap supercondutor totalmente aberto de aproximadamente 60 millielectronvolt (meV). Eles também estudaram seu contraparte de deutério, D3S, que mostrou um gap menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo do hidrogênio e possui um nêutron a mais.
Essa diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade em H3S é impulsionada por interações entre elétrons e fonons. Fonons são vibrações quantizadas do reticulado atômico 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 Essa Inovação 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 para outros supercondutores de hidretos, os fatores principais que permitem a supercondutividade a temperaturas ainda mais altas possam ser identificados. Isso deve, em última análise, permitir o desenvolvimento de novos materiais que possam operar em condições mais práticas”, afirma o Dr. Feng Du, primeiro autor do estudo agora publicado.
O 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 de hidretos desde a descoberta da supercondutividade em H3S em 2015.” Vasily Minkov, líder do projeto de Química e Física em Alta Pressão no Instituto Max Planck de Química, acrescentou: “A visão de Mikhail sobre supercondutores operando a temperatura ambiente e pressões moderadas se aproxima um passo mais da realidade através deste trabalho.”
Um Breve Histórico da Supercondutividade
A supercondutividade refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir corrente elétrica sem resistência. Foi descoberta pela primeira vez em mercúrio puro em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Por muitas décadas, os cientistas acreditavam que esse fenômeno só poderia ocorrer a temperaturas próximas do 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 a alta temperatura sob pressão atmosférica normal. Essa descoberta impulsionou esforços de pesquisa em todo o mundo.
Com o tempo, os cientistas alcançaram temperaturas críticas (Tc) de cerca de 133 K a pressão ambiente e 164 K sob alta pressão. O progresso então estagnou até que compostos ricos em hidrogênio entraram em cena.
Materiais Ricos em Hidrogênio Expandem os Limites
A descoberta da supercondutividade em H3S sob pressões de megabars, com um Tc = 203 K pelo grupo de pesquisa liderado pelo Dr. Mikhail Eremets, representou um ponto de inflexão. Logo depois, 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 pressão extrema.
Pares de Cooper e o Significado do Gap Supercondutor
Em metais normais, os elétrons próximos ao nível de Fermi podem se mover livremente. O nível de Fermi representa o nível de energia mais alto que os elétrons podem ocupar em um sólido a temperatura absoluta zero. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons formam estados pareados conhecidos como pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.
Nesse estado, os elétrons emparelhados se movem juntos sem se dispersar em fonons ou impurezas na rede cristalina, eliminando assim a resistência elétrica. Esse emparelhamento cria um gap de energia próximo ao nível de Fermi chamado gap supercondutor. O gap representa a energia mínima necessária para quebrar um par de Cooper e desempenha um papel protetor, estabilizando o estado supercondutor contra perturbações.
O gap supercondutor é uma característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem uma visão crítica sobre como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-o uma impressão digital chave do mecanismo subjacente à supercondutividade.
