Quando a eletricidade se move através de fios, parte de sua energia é perdida ao longo do caminho. No entanto, essa perda pode não ser inevitável. Pesquisadores da Penn State desenvolveram uma nova maneira de identificar materiais conhecidos como supercondutores – substâncias que podem transportar corrente elétrica sem resistência, o que significa que nenhuma energia é desperdiçada durante a transmissão.
O Desafio dos Supercondutores a Frio
Apesar de seu potencial, a maioria dos materiais supercondutores ainda não pode ser utilizada na tecnologia do dia a dia. Sua extraordinária capacidade de conduzir eletricidade só se manifesta a temperaturas extremamente baixas, muito abaixo do que é prático para sistemas de energia ou eletrônicos avançados. Apoiada pelo programa “Teoria da Matéria Condensada” dentro das Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia dos EUA (DOE), a equipe da Penn State criou uma nova abordagem computacional para prever quais materiais podem exibir supercondutividade, potencialmente abrindo caminho para encontrar aqueles que funcionam a temperaturas muito mais altas, até mesmo próximas da temperatura ambiente.
Um Novo Olhar sobre um Mistério Antigo
Prever a supercondutividade – especialmente em materiais que poderiam operar a temperaturas mais altas – tem sido um desafio sem solução. As teorias existentes são há muito consideradas precisas apenas para supercondutores a baixas temperaturas, explicou Zi-Kui Liu, professor de ciência e engenharia de materiais na Penn State.
“O objetivo sempre foi aumentar a temperatura na qual a supercondutividade persiste,” disse Liu, autor principal de um novo estudo publicado na Superconductor Science and Technology. “Mas primeiro, precisamos entender exatamente como a supercondutividade ocorre, e é aí que nosso trabalho entra.”
Como a Teoria Clássica Explica os Supercondutores
Durante décadas, os cientistas confiaram na teoria de Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) para descrever como os supercondutores convencionais funcionam a temperaturas extremamente baixas. De acordo com essa teoria, os elétrons se movem sem resistência devido a interações com vibrações na rede atômica, chamadas de fonons. Essas interações permitem que os elétrons formem pares conhecidos como pares de Cooper, que se movem em sincronia através do material, evitando colisões atômicas e prevenindo a perda de energia na forma de calor.
“Imagine uma superestrada apenas para elétrons,” explicou Liu. “Se houver muitas rotas, os elétrons se chocam com as coisas e perdem energia. Mas se você criar um túnel reto para eles, como a Autobahn na Alemanha, eles podem viajar rápida e livremente sem resistência.”
A Busca por Energia Sem Resistência
Essa capacidade de transmitir energia sem resistência é o que torna os supercondutores tão promissores, disse Liu. Se os cientistas puderem desenvolver materiais que permaneçam supercondutores a temperaturas mais altas, a eletricidade poderia viajar mais longe, mais rápido e de forma mais eficiente, transformando os sistemas de energia globais. Para entender esse fenômeno, o projeto apoiado pelo DOE utiliza ferramentas computacionais conhecidas como teoria funcional de densidade (DFT). A DFT ajuda a modelar como os elétrons se comportam em condutores comuns em comparação com supercondutores. A equipe hipotetiza que, mesmo que a DFT não modele diretamente os pares de Cooper, a densidade de elétrons que ela prevê deve se assemelhar à de elétrons emparelhados, permitindo que os pesquisadores estudem o comportamento potencialmente supercondutor.
Até recentemente, a teoria BCS e a DFT – uma descrevendo o emparelhamento de elétrons, a outra enraizada na mecânica quântica – foram tratadas separadamente. A equipe de Liu encontrou uma maneira de conectar essas estruturas, criando um novo caminho para prever a supercondutividade.
Introduzindo a Teoria da Zentropia
A descoberta se concentra em um conceito chamado teoria da zentropia. Essa abordagem mescla princípios da mecânica estatística, que estuda o comportamento coletivo de muitas partículas, com a física quântica e a modelagem computacional moderna. A teoria da zentropia conecta a estrutura eletrônica de um material ao modo 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 entender como um material se comporta a zero absoluto (zero Kelvin), a temperatura mais baixa possível, onde todo movimento atômico cessa. A equipe de Liu demonstrou que, mesmo a DFT – embora não tenha sido originalmente projetada para estudar supercondutores – pode fornecer informações-chave sobre quando e como a supercondutividade ocorre.
Prevendo a Próxima Geração de Supercondutores
De acordo com Liu, o novo método permite que os cientistas prevejam se um material pode se tornar supercondutor. A teoria da zentropia pode então estimar a temperatura crítica na qual o material perde essa propriedade. A teoria BCS clássica explica com sucesso os supercondutores que operam apenas a temperaturas muito baixas, mas falha para variedades de alta temperatura, onde os pares de Cooper se separam mais facilmente. Através da modelagem DFT, o grupo de Liu descobriu que, nos supercondutores de alta temperatura, a “superestrada” de elétrons permanece estável devido a uma estrutura atômica única – similar a uma ponte flutuante que se flexiona com as ondas, permitindo que os elétrons se movam suavemente mesmo quando as vibrações térmicas aumentam.
Usando essa abordagem combinada, a equipe previu com sucesso o comportamento supercondutor em materiais convencionais e de alta temperatura, incluindo um que a teoria tradicional não conseguiu explicar. Eles também previram potencial supercondutividade em cobre, prata e ouro – metais que normalmente não são considerados supercondutores – provavelmente porque precisariam de temperaturas extremamente baixas para que o efeito aparecesse. Essas descobertas poderiam acelerar a descoberta de novos materiais que operem como supercondutores em temperaturas mais altas e práticas.
Próximos Passos na Busca por Supercondutores Práticos
Os pesquisadores da Penn State agora planejam expandir seu trabalho de duas maneiras. Primeiro, eles usarão a teoria da zentropia para prever como a pressão afeta a temperatura na qual os supercondutores perdem sua resistência. Em segundo lugar, eles pesquisaram um enorme banco de dados de cinco milhões de materiais para identificar novos candidatos que poderiam exibir supercondutividade. O objetivo é encontrar os materiais mais promissores e colaborar com pesquisadores experimentais para testá-los.
“Não estamos apenas explicando o que já é conhecido,” disse Liu. “Estamos construindo uma estrutura para descobrir algo completamente novo. Se bem-sucedidos, a abordagem poderia levar à descoberta de supercondutores de alta temperatura que funcionem em ambientes práticos, potencialmente até mesmo à temperatura ambiente, se existirem. Esse tipo de avanço poderia ter um impacto enorme na tecnologia moderna e nos sistemas de energia.”
Shun-Li Shang, professor de pesquisa em ciência e engenharia de materiais na Penn State, é co-investigador deste estudo.
O Departamento de Energia dos EUA apoiou esta pesquisa.
