Cientistas desvendaram o mistério do supercondutor sob pressão esmagadora

O desafio é que a supercondutividade geralmente ocorre apenas em temperaturas muito baixas, muito abaixo das condições diárias. Esta limitação impediu o uso prático generalizado. Esse quadro começou a mudar com a descoberta da supercondutividade em materiais ricos em hidrogénio. Sulfeto de hidrogênio (H₃S) torna-se supercondutor a 203 Kelvin (-70°Celsius), enquanto o decaidrido de lantânio (LaH10) atinge supercondutividade a 250 Kelvin (-23°Celsius). Estas 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. A sua descoberta marcou um passo importante em direção ao objetivo de longa data da supercondutividade à temperatura ambiente.

A lacuna supercondutora e por que ela é crucial

No cerne da supercondutividade está uma característica conhecida como lacuna supercondutora. Esta 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.

Compreender a lacuna supercondutora é essencial porque reflete diretamente como os elétrons interagem dentro do material. Sem medir esta lacuna, os cientistas não conseguem explicar completamente porque é que um material se torna supercondutor ou que mecanismo faz a resistência desaparecer.

Por que medir supercondutores de hidrogênio é tão difícil

Apesar de sua importância, supercondutores ricos em hidrogênio, como H₃S tem sido extremamente desafiador para estudar. Esses materiais só podem ser criados sob enormes pressões que excedem a pressão atmosférica em mais de um milhão de vezes. Devido a essas condições extremas, técnicas amplamente utilizadas, como espectroscopia de varredura por tunelamento e espectroscopia de fotoemissão com resolução de ângulo, não podem ser aplicadas.

Como resultado, a lacuna supercondutora nestes materiais permaneceu não medida, deixando uma grande lacuna na compreensão dos cientistas sobre como funciona a supercondutividade a alta temperatura em compostos ricos em hidrogénio.

Uma nova técnica de tunelamento quebra a barreira

Para resolver este problema, pesquisadores do Instituto Max Planck em Mainz desenvolveram um método de espectroscopia de tunelamento eletrônico planar que pode operar sob essas pressões extremas. Esta nova abordagem tornou possível sondar diretamente a lacuna supercondutora em H₃S pela primeira vez.

Com esta técnica, a equipe obteve uma imagem clara do estado supercondutor em materiais ricos em hidrogênio, superando uma barreira que limitou o progresso na área durante anos.

O que as medições revelaram

Os pesquisadores descobriram que H₃S tem uma lacuna supercondutora totalmente aberta de aproximadamente 60 milielétron-volts (meV). Eles também estudaram sua contraparte de deutério, D₃S, que mostrou um gap menor de cerca de 44 meV. O deutério é um isótopo de hidrogênio e possui mais um nêutron.

Esta diferença é significativa porque confirma que a supercondutividade em H₃S é impulsionado por 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 de Mainz, a conquista vai além do sucesso técnico. Ele fornece uma base para descobrir as origens fundamentais da supercondutividade de alta temperatura em materiais à base de hidrogênio. “Esperamos que, ao estender esta técnica de tunelamento a outros supercondutores de hidreto, os principais fatores que permitem a supercondutividade em temperaturas ainda mais altas possam ser identificados. Isto deverá, 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.

Mikhail Eremets, uma figura importante na pesquisa de supercondutividade de alta pressão que faleceu em novembro de 2024, descreveu o estudo como “o trabalho mais importante no campo da supercondutividade de hidreto desde a descoberta da supercondutividade em H₃S em 2015.” Vasily Minkov, líder do projeto de 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 chega um passo mais perto da realidade através deste trabalho.”

Uma breve história da supercondutividade

Supercondutividade refere-se à capacidade de certos materiais de conduzir corrente elétrica sem resistência. Foi descoberto pela primeira vez em mercúrio puro em 1911 por Heike Kamerlingh Onnes. Durante muitas décadas, os cientistas acreditaram que este fenómeno 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 em alta temperatura sob pressão atmosférica normal. Esta descoberta desencadeou esforços de pesquisa em todo o mundo.

Com o tempo, os cientistas atingiram temperaturas críticas (T_c) de cerca de 133 K à 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 ultrapassam os limites

A descoberta da supercondutividade em H₃S em pressões megabar, com um T_c = 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 (T_c ≈ 244 K) e LaH10 (T_c ≈ 250K).

Os modelos teóricos atuais sugerem agora 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 nível de energia mais alto que os elétrons podem ocupar em um sólido no zero absoluto. Quando um material se torna supercondutor, os elétrons formam estados emparelhados conhecidos como pares de Cooper e entram em um estado quântico coletivo.

Nesse estado, os elétrons emparelhados se movem juntos sem espalhar fônons ou impurezas na rede cristalina, o que elimina a resistência elétrica. Este emparelhamento cria uma lacuna de energia próxima ao nível de Fermi, chamada 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 perturbações.

A lacuna supercondutora é uma característica definidora da supercondutividade. Seu tamanho e simetria fornecem informações críticas sobre como os elétrons interagem e se emparelham, tornando-o uma impressão digital importante do mecanismo supercondutor subjacente.