Físicos descobrem comportamento supercondutor em temperaturas antes consideradas “impossíveis”
Cientistas descobriram um processo chave necessário para supercondutividade ocorrendo em temperaturas mais altas do que se pensava anteriormente. Pode ser um pequeno, mas significativo passo na busca por um dos “santos graais” da física, um supercondutor que opera em temperatura ambiente.
A descoberta, feita dentro do material improvável de um isolante elétrico, revela elétrons se emparelhando em temperaturas de até 190 graus Fahrenheit negativos (123 graus Celsius negativos) — um dos ingredientes secretos para o fluxo quase sem perdas de eletricidade em materiais supercondutores extremamente frios.
Até agora, os físicos estão perplexos sobre o porquê disso estar acontecendo. Mas entender isso pode ajudá-los a encontrar supercondutores em temperatura ambiente. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em 15 de agosto no periódico Ciência.
“Os pares de elétrons estão nos dizendo que estão prontos para se tornarem supercondutores, mas algo os está impedindo”, disse o coautor. Ke-Jun Xuum estudante de pós-graduação em física aplicada na Universidade de Stanford, disse em uma declaração“Se pudermos encontrar um novo método para sincronizar os pares, poderemos aplicá-lo à possível construção de supercondutores de temperatura mais alta.”
A supercondutividade emerge das ondulações deixadas nas esteiras dos elétrons conforme eles se movem através de um material. Em temperaturas baixas o suficiente, essas ondulações atraem núcleos atômicos uns para os outros, causando, por sua vez, um leve deslocamento na carga que atrai um segundo elétron para o primeiro.
Normalmente, duas cargas negativas deveriam se repelir. Mas, em vez disso, algo estranho acontece: os elétrons se unem em um “par de Cooper”.
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Os pares de Cooper seguem diferentes mecânica quântica regras do que as dos elétrons solitários. Em vez de se empilharem para fora em camadas de energia, eles agem como partículas de luz, um número infinito das quais pode ocupar o mesmo ponto no espaço ao mesmo tempo. Se um número suficiente desses pares de Cooper for criado em todo o material, eles se tornam um superfluido, fluindo sem nenhuma perda de energia devido à resistência elétrica.
Os primeiros supercondutores, descobertos pelo físico holandês Heike Kamerlingh Onnes em 1911, transitaram para este estado de resistividade elétrica zero em temperaturas inimaginavelmente baixas — perto de zero absoluto (menos 459,67 F, ou menos 273,15 C). No entanto, em 1986, os físicos encontraram um material à base de cobre, chamado cuprato, que se torna um supercondutor a uma temperatura muito mais quente (mas ainda muito fria) de menos 211 F (menos 135 C).
Os físicos esperavam que essa descoberta os levasse a supercondutores em temperatura ambiente. No entanto, os insights sobre o que faz com que os cupratos apresentem seu comportamento incomum diminuíram e, no ano passado, alegações virais de supercondutores viáveis em temperatura ambiente terminaram em alegações de falsificação de dados e desapontamento.
Para investigar mais a fundo, os cientistas por trás da nova pesquisa se voltaram para um cuprato conhecido como óxido de cobre e cério neodímio. A temperatura supercondutora máxima desse material é relativamente baixa, de menos 414,67 F (menos 248 C), então os cientistas não se preocuparam em estudá-lo muito. Mas quando os pesquisadores do estudo lançaram luz ultravioleta sobre sua superfície, eles observaram algo estranho.
Geralmente, quando pacotes de luz, ou fótons, atingem um cuprato que carrega elétrons desemparelhados, os fótons dão aos elétrons energia suficiente para serem ejetados do material, fazendo com que ele perca muita energia. Mas elétrons em pares de Cooper podem resistir à sua ejeção fotônica, fazendo com que o material perca apenas um pouco de energia.
Apesar de seu estado de resistência zero ocorrer apenas em temperaturas muito baixas, os pesquisadores descobriram que a lacuna de energia persistiu no novo material até 150 K, e que o pareamento foi, estranhamente, o mais forte na maioria das amostras que resistiram melhor ao fluxo de corrente elétrica.
Isso significa que, embora seja improvável que o cuprato atinja a supercondutividade à temperatura ambiente, ele pode conter algumas dicas para encontrar um material que possa fazê-lo.
“Nossas descobertas abrem um novo caminho potencialmente rico para o futuro. Planejamos estudar essa lacuna de pareamento no futuro para ajudar a projetar supercondutores usando novos métodos”, autor sênior Zhi Xun Shenum professor de física em Stanford, disse na declaração. “Por um lado, planejamos usar abordagens experimentais semelhantes para obter mais insights sobre esse estado de pareamento incoerente. Por outro lado, queremos encontrar maneiras de manipular esses materiais para talvez coagir esses pares incoerentes à sincronização.”
