Titular analisa supercondutividade a 15 celsius

A convite do Núcleo de Comunicação Social, Mucio Continentino, pesquisador titular do Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas (CBPF), no Rio de Janeiro (RJ), comenta artigo publicado recentemente em Nature que relata a obtenção do fenômeno da supercondutividade – condução de eletricidade sem perdas de calor – à temperatura ambiente.

Supercondutividade à temperatura ambiente

O periódico britânico Nature publicou recentemente artigo que relata a descoberta de supercondutividade à temperatura ambiente – cerca de 15 graus celsius. Isso significa que, em uma noite de inverno, em Campos do Jordão (SP), você poderia, por exemplo, usar um eletrodoméstico cuja fonte de alimentação fosse uma corrente elétrica gerada por um dispositivo supercondutor. E isso sem precisar – como fazem os físicos nos laboratórios – resfriar o equipamento a temperaturas baixíssimas, centenas de graus abaixo do zero celsius.

O revés da notícia é que o sistema atingiu a chamada temperatura crítica (Tc) – aquela em que o material se torna supercondutor – a uma pressão altíssima, de 267 gigapascal (GPa). Para se ter uma ideia, isso equivale a 2,65 milhões de vezes a pressão atmosférica ao nível do mar (1 atm) e é praticamente a pressão no núcleo da Terra (3,4 milhões de atm).

Mesmo com esse significativo obstáculo tecnológico, por que a imprensa deu tanto destaque à descoberta, feita por Elliot Snider, da Universidade de Rochester (EUA), e colegas, em artigo com o título ‘Room-temperature superconductivity in a carbonaceous sulfur hydride’ [Supercondutividade à temperatura ambiente em hidreto de enxofre carbonáceo]?

Antes de responder à pergunta, vale lembrar que a supercondutividade é um fenômeno físico extraordinário. Nele, há condução de corrente elétrica sem perda de calor. É uma das manifestações mais contundentes da mecânica quântica – teoria que lida com o diminuto universo atômico e subatômico – na escala macroscópica.

As propriedades da supercondutividade só foram descritas teoricamente 50 anos após sua descoberta experimental, em 1911. Os físicos norte-americanos John Bardeen (1980-1991), Leon Cooper e John Schrieffer (1931-2019) – por meio de uma teoria conhecida hoje como BCS – mostraram o papel fundamental dos fônons (ondas de som) na formação de uma característica marcante do fenômeno da supercondutividade: a formação de pares de elétrons – os chamados pares de Cooper – que ‘fluem’ como uma onda sonora, sem sofrer resistência nesse deslocamento entre os átomos do material. 

Apesar das baixas temperaturas necessárias para a obtenção da supercondutividade, diversos equipamentos já empregam o fenômeno. Exemplo de nosso cotidiano são as máquinas de ressonância magnética.

Revolução

Há cerca de 25 anos, o estudo da supercondutividade sofreu uma revolução com a descoberta dos chamados supercondutores de alta temperatura crítica (Tc).  Esses sistemas, baseados em óxidos de cobre, têm temperaturas críticas acima de 196,2 graus celsius negativos – cerca de 10 vezes mais altas que as dos supercondutores convencionais.

A partir disso, supercondutores convencionais passaram a ser denominados ‘do tipo BCS’, em contraposição aos de alta temperatura (ou, simplesmente, High Tc).

Esse avanço permitiu refrigerar supercondutores com o uso de nitrogênio líquido (ar líquido), que, por ser abundante, tornou o processo mais simples e barato.

A compreensão teórica do High Tc ainda não é consensual. Mas grande parte da comunidade científica acredita que a interação repulsiva entre os elétrons – que nos supercondutores tipo BCS é minimizada – é fundamental nos supercondutores de alta temperatura.

Essa noção – a da correlação entre os elétrons – vem guiando grande parte das pesquisas em supercondutores nas últimas duas décadas. Apesar de ela ter conduzido a descobertas importantes de novos tipos de materiais supercondutores, o recorde de temperatura crítica vinha se mantendo: 113 graus celsius negativos.

Portanto, chega como (boa) surpresa a descoberta de supercondutividade à temperatura ambiente em um sistema (CH₈S) em que nenhum dos elementos (hidrogênio, carbono e enxofre) é supercondutor a pressões ambientes e nos quais as interações entre os elétrons são desprezíveis.

H metálico

A ideia de que o hidrogênio em sua forma metálica fosse um supercondutor com alta temperatura critica (Tc) surgiu no fim da década de 1960, em artigo do físico britânico Neil Ashcroft, publicado em Physical Review Letters (v. 21, p. 1748, 1968).

Mas, por causa das altas pressões necessárias para se obter esse elemento químico em sua forma metálica, as implicações dessa sugestão tinham mais relevância para a astrofísica – mais especificamente, para o caso de estrelas ou planetas formados predominantemente por hidrogênio. Júpiter, por exemplo, tem campos magnéticos intensos que seriam gerados pelas correntes supercondutoras de hidrogênio metálico em seu núcleo.  

Note que supercondutores baseados em hidrogênio metálico são essencialmente do tipo BCS, nos quais as correlações eletrônicas são desprezíveis, e o mecanismo de formação de pares eletrônicos se deve aos fônons. Nesse caso, a alta temperatura crítica está associada à alta velocidade do som nesse sistema, por causa da pequena massa (um só próton) do hidrogênio. Por outro lado, é necessário alta pressão para se obter hidrogênio na forma metálica.

Vale ressaltar que supercondutividade em hidretos metálicos havia sido descoberta há poucos anos. Esse fenômeno foi obtido com o sulfeto de hidrogênio (H₃S), sob pressão  de 155 GPa, com Tc de 70,15 graus celsius negativos. Esse resultado foi publicado em Nature (v. 525, pp. 73-76, 2015).

Medidas em sistemas em que o hidrogênio havia sido substituído por uma forma mais pesada desse elemento, o deutério, confirmaram a natureza BCS da supercondutividade nesses hidretos. Íons mais pesados – no caso, deutério – têm frequência menor de vibração e, portanto, reduzem a Tc, como observado experimentalmente.

Novidades e desafios

Duas grandes novidades do trabalho recente de Snider e colegas: i) atingir a marca simbólica de temperatura ambiente; ii) obter o fenômeno com um composto ternário, mostrando que é possível acrescentar novos elementos (no caso, o carbono) a esses hidretos.

Essa flexibilidade cria a expectativa de que novos sistemas com composições adequadas possam ser produzidos de forma que as temperaturas críticas sejam ainda mais altas. Podemos aguardar, para os próximos anos, grande desenvolvimento na área de altas pressões.

Curiosamente, pouco se sabe sobre o composto supercondutor formado na minúscula célula de pressão. Sua estrutura, por exemplo, não é conhecida, por causa da dificuldade de se analisarem compostos leves por meio da técnica de espalhamento (‘colisão’) de raios X. Portanto, a caracterização do composto é uma barreira a ser superada.

No campo teórico, o grande desafio é ainda a formulação de uma teoria para entender os supercondutores de alta temperatura dotados de fortes correlações eletrônicas. Para os supercondutores à base de hidrogênio mais convencionais, cálculos relativos ao modo como os elétrons estão distribuídos nesses materiais têm tido papel importante para a obtenção da combinação exata de elementos na constituição dos supercondutores, de forma a se alcançar a temperatura crítica alta a pressões cada vez mais baixas.

Mucio Continentino

Pesquisador titular

CBPF

Mais informações:

Artigo: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2801-z