Pela primeira vez, físicos alcançaram a supercondutividade em temperatura ambiente

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Uma bigorna de diamante. Crédito: Michael Osadciw.

Por Michelle Starr
Publicado na ScienceAlert

Um novo marco importante acaba de ser alcançado na busca pela supercondutividade. Pela primeira vez, os físicos alcançaram o fluxo livre de resistência de uma corrente elétrica em temperatura ambiente – positivamente amenos 15 graus Celsius.

Isso quebrou o recorde anterior de -23 graus Celsius e levou a perspectiva da supercondutividade funcional um passo grande à frente.

“Por causa dos limites da baixa temperatura, materiais com propriedades tão extraordinárias não transformaram o mundo da maneira que muitos poderiam imaginar”, disse o físico Ranga Dias, da Universidade de Rochester (EUA), em nota à imprensa.

“No entanto, nossa descoberta quebrará essas barreiras e abrirá uma porta para muitas aplicações potenciais”.

A supercondutividade foi descoberta pela primeira vez em 1911 e, desde então, tornou-se uma meta perseguida de forma fervorosa na física da matéria condensada.

Ela consiste em duas propriedades principais. O primeiro é a resistência zero. Normalmente, o fluxo de uma corrente elétrica encontra algum grau de resistência – um pouco como a resistência do ar empurra um objeto em movimento, por exemplo. Quanto maior a condutividade de um material, menos resistência elétrica ele tem e a corrente pode fluir mais livremente.

O segundo é algo chamado de efeito Meissner, no qual os campos magnéticos do material supercondutor são expelidos. Isso força as linhas do campo magnético a redirecionar em torno do material. Se um pequeno ímã permanente for colocado acima de um material supercondutor, a força repulsiva dessas linhas de campo magnético fará com que ele levite.

As aplicações potenciais da supercondutividade podem revolucionar nosso mundo – dos transportes de levitação magnética (maglev) à transferência de dados e às redes elétricas sem perdas. Mas há um grande problema.

Os materiais supercondutores geralmente são criados e mantidos em temperaturas extremamente baixas, muito abaixo das encontradas na natureza. Manter os materiais nessas temperaturas é difícil e caro, o que tem se mostrado uma barreira prática para uma implementação mais ampla.

Recentemente, os físicos obtiveram sucesso ao aumentar a temperatura em elementos leves, como o sulfeto de hidrogênio e o hidreto de lantânio. O elemento comum ali é o hidrogênio, o elemento mais leve da natureza. Mas o hidrogênio como gás é um isolante; para torná-lo supercondutor, ele precisa ser metalizado sob pressões imensas.

“Para obter um supercondutor de alta temperatura, você precisa de ligações mais fortes e de elementos leves. Esses são os dois critérios básicos. O hidrogênio é o material mais leve, e a ligação de hidrogênio é uma das mais fortes”, disse Dias.

“Acredita-se que o hidrogênio metálico sólido tenha alta temperatura de Debye e forte interação elétron-fônon, necessária para a supercondutividade à temperatura ambiente”.

O laboratório de supercondutividade. Crédito: Adam Fenster.

Visto que o hidrogênio metálico puro só pode ser criado sob extrema pressão, as condições certas são extremamente difíceis de alcançar. Duas equipes relataram sucesso em criá-lo nos últimos anos.

Em 2017, os físicos relataram a obtenção de hidrogênio metálico em pressões entre 465 e 495 gigapascais e temperaturas de 5,5 Kelvin (-267,65°C). Em 2019, os físicos relataram a obtenção de hidrogênio metálico a pressões de 425 gigapascais e temperaturas de 80 Kelvin (-193°C). Nenhum deles estava próximo da temperatura ambiente. E, para referência, a pressão no núcleo da Terra é de entre 330 e 360 ​​gigapascais.

A segunda melhor coisa para a supercondutividade é um metal rico em hidrogênio, como o sulfeto de hidrogênio e o hidreto de lantânio usados ​​em experimentos anteriores. Eles imitam as propriedades supercondutoras do hidrogênio metálico puro em pressões muito mais baixas.

Então, uma equipe de físicos liderada por Elliot Snider, da Universidade de Rochester, começou a fazer experiências. Primeiro, eles tentaram combinar o hidrogênio com o ítrio para criar o super-hidreto de ítrio. Este material exibiu supercondutividade a -11 graus Celsius sob 180 gigapascais de pressão.

Em seguida, Snider e sua equipe tentaram combinar carbono, enxofre e hidrogênio para criar hidreto de enxofre carbonáceo. Eles espremeram uma pequena amostra em uma bigorna de diamante e mediram a supercondutividade. E eles conseguiram – a 270 gigapascals e 15 graus Celsius.

Obviamente, ainda está longe de ser utilizável nas circunstâncias do dia a dia. Os tamanhos das amostras eram microscópicos, entre 25 e 35 mícrons, e a pressão na qual a supercondutividade emergia ainda era pouco prática.

A próxima etapa da pesquisa será tentar reduzir a alta pressão necessária ajustando a composição química da amostra. Se conseguirem obter a combinação certa, os pesquisadores acreditam que um supercondutor à temperatura ambiente e à pressão ambiente finalmente estará ao nosso alcance.

A pesquisa foi publicada na Nature.