Os supercondutores à temperatura ambiente estão finalmente ao nosso alcance?

O desafio dos supercondutores frios

Apesar de sua promessa, a maioria dos materiais supercondutores ainda não pode ser usada na tecnologia cotidiana. A sua extraordinária capacidade de conduzir electricidade só aparece a temperaturas extremamente baixas, muito abaixo do que é prático para sistemas de energia ou electrónica avançada. Apoiada pelo programa “Teoria da Matéria Condensada” do Departamento de Ciências Básicas de Energia do Departamento de Energia (DOE), a equipe da Penn State criou uma nova abordagem computacional para prever quais materiais podem apresentar supercondutividade, potencialmente abrindo caminho para encontrar aqueles que funcionam em temperaturas muito mais altas, até mesmo próximas da ambiente.

Um novo olhar sobre um mistério antigo

Prever a supercondutividade – especialmente em materiais que poderiam operar a temperaturas mais elevadas – continua a ser um desafio sem solução. As teorias existentes há muito são consideradas precisas apenas para supercondutores de baixa temperatura, 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, principal autor de um novo estudo publicado na revista. Ciência e Tecnologia de Supercondutores. “Mas primeiro, precisamos entender exatamente como acontece a supercondutividade, e é aí que entra o nosso trabalho.”

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 em temperaturas extremamente baixas. De acordo com esta teoria, os elétrons se movem sem resistência devido às interações com vibrações na rede atômica, chamadas fônons. Essas interações permitem que os elétrons se emparelhem no que é conhecido como pares de Cooper, que se movem em sincronia através do material, evitando colisões atômicas e evitando a perda de energia na forma de calor.

“Imagine uma superestrada apenas para elétrons”, explicou Liu. “Se houver muitas rotas, os elétrons colidem com as coisas e perdem energia. Mas se você criar um túnel reto para eles, como a Autobahn na Alemanha, eles poderão viajar rápida e livremente, sem resistência.”

A busca pelo poder sem resistência

Essa capacidade de transmitir energia sem resistência é o que torna os supercondutores tão promissores, disse Liu. Se os cientistas conseguirem desenvolver materiais que permaneçam supercondutores a temperaturas mais elevadas, a eletricidade poderá viajar mais longe, mais rapidamente e de forma mais eficiente, transformando os sistemas energéticos globais. Para compreender esse fenômeno, o projeto apoiado pelo DOE utiliza ferramentas computacionais conhecidas como teoria do funcional da densidade (DFT). A DFT ajuda a modelar como os elétrons se comportam em condutores comuns em comparação com supercondutores. A equipe levanta a hipótese de que, embora o DFT não modele diretamente os pares de Cooper, a densidade eletrônica que ele prevê deve ser semelhante à dos elétrons emparelhados, permitindo aos pesquisadores estudar o potencial comportamento supercondutor.

Até recentemente, a teoria BCS e a DFT – uma descrevendo o emparelhamento de elétrons, a outra enraizada na mecânica quântica – eram tratadas separadamente. A equipe de Liu encontrou uma maneira de conectar essas estruturas, criando um novo caminho para prever a supercondutividade.

Apresentando a Teoria Zentropia

A descoberta centra-se num conceito chamado teoria da zentropia. Esta 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 vincula a estrutura eletrônica de um material à forma 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 compreender como um material se comporta no zero absoluto (zero Kelvin), a temperatura mais fria possível, onde todo o movimento atômico cessa. A equipe de Liu demonstrou que mesmo o DFT – embora não tenha sido originalmente planejado para estudar supercondutores – pode fornecer informações importantes sobre quando e como a supercondutividade ocorre.

Prevendo a próxima geração de supercondutores

Segundo Liu, o novo método permite aos cientistas prever se um material pode tornar-se supercondutor. A teoria da Zentropia pode então estimar a temperatura crítica na qual o material perde essa propriedade. A teoria clássica do BCS explica com sucesso os supercondutores que operam apenas em temperaturas muito baixas, mas falha nas variedades de alta temperatura, onde os pares de Cooper se separam mais facilmente. Através da modelagem DFT, o grupo de Liu descobriu que em supercondutores de alta temperatura, a “superestrada” do elétron permanece estável devido a uma estrutura atômica única – semelhante a uma ponte flutuante que flexiona com as ondas, permitindo que os elétrons se movam suavemente mesmo quando as vibrações térmicas aumentam.

Usando esta abordagem combinada, a equipe previu com sucesso o comportamento supercondutor em materiais convencionais e de alta temperatura, incluindo um que a teoria tradicional não conseguia explicar. Eles também previram a supercondutividade potencial em cobre, prata e ouro – metais que normalmente não são considerados supercondutores – provavelmente porque exigiriam temperaturas extremamente baixas para que o efeito aparecesse. Estas descobertas poderão acelerar a descoberta de novos materiais que operem como supercondutores a temperaturas mais elevadas e mais práticas.

Próximas etapas na busca por supercondutores práticos

Os pesquisadores da Penn State planejam agora 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, irão pesquisar uma enorme base de dados de cinco milhões de materiais para identificar novos candidatos que possam apresentar supercondutividade. O objetivo é encontrar os materiais mais promissores e colaborar com pesquisadores experimentais para testá-los.

“Não estamos apenas explicando o que já se sabe”, disse Liu. “Estamos construindo uma estrutura para descobrir algo totalmente novo. Se for bem-sucedida, a abordagem poderá levar à descoberta de supercondutores de alta temperatura que funcionam em ambientes práticos, potencialmente até mesmo à temperatura ambiente, se existirem. Esse tipo de inovação poderia ter um enorme impacto na tecnologia moderna e nos sistemas de energia.”

Shun-Li Shang, professor pesquisador de ciência e engenharia de materiais na Penn State, é co-investigador deste estudo.

O Departamento de Energia dos EUA apoiou esta pesquisa.