Pesquisadores sintetizam material que é supercondutor em temperatura ambiente

 

 

Comprimindo sólidos moleculares simples como o hidrogênio a pressões extremamente altas, engenheiros e físicos da Universidade de Rochester criaram, pela primeira vez, um material que é supercondutor a temperatura ambiente.

       Ao estabelecer o novo recorde, Ranga Dias e sua equipe combinaram hidrogênio, carbono e enxofre para sintetizar fotoquimicamente um simples hidreto em uma célula de bigorna de diamante, um dispositivo de pesquisa usado para examinar quantidades minúsculas de materiais sob pressão extraordinariamente alta. O hidreto exibiu a supercondutividade em torno de 58°F a uma pressão de cerca de 39 milhões de PSI.

       A quantidade de material supercondutor criado pelas células de bigorna diamante é medida em picolitros — do tamanho de uma única partícula de jato de tinta.

       O próximo desafio, segundo Dias, é encontrar maneiras de criar materiais supercondutores em temperatura ambiente a pressões mais baixas, para que sejam viáveis de produzir em grande volume. Em comparação com os milhões de quilos de pressão criados nas células de bigorna de diamantes, a pressão atmosférica da Terra no nível do mar é de cerca de 15 PSI.

Poderosos eletroímãs supercondutores já são componentes críticos de trens maglev, ressonância magnética (MRI) e máquinas de ressonância magnética nuclear (RMN), aceleradores de partículas e outras tecnologias avançadas, incluindo supercomputadores quânticos.

       Mas os materiais supercondutores usados nos dispositivos funcionam apenas em temperaturas extremamente baixas, mais do que qualquer temperatura natural na Terra. Essa restrição torna cara a sua manutenção e muito caro para outras aplicações potenciais. “O custo para manter esses materiais em temperaturas criogênicas é tão alto que você não pode obter o benefício total deles”, diz Dias.

       Anteriormente, a maior temperatura para um material supercondutor foi alcançada no ano passado no laboratório de Mikhail Eremets do Instituto Max Planck, e no grupo Russell Hemley na Universidade de Illinois em Chicago.

       Nos últimos anos os pesquisadores exploraram óxidos de cobre e compostos à base de ferro como candidatos a supercondutores de alta temperatura. No entanto, o hidrogênio oferece um promissor bloco de construção.

       “Para ter um supercondutor de alta temperatura, você quer ligações fortes e elementos leves. Esses são dois critérios básicos”, afirma Dias. “O hidrogênio é o material mais leve, e a ligação de hidrogênio é uma das mais fortes. Teoricamente, o hidrogênio metálico sólido possui alta temperatura de Debye e forte acoplamento elétron-fônon, necessário para a supercondutividade a temperatura ambiente”, diz Dias.

       No entanto, pressões extraordinariamente altas são exigidas para obter hidrogênio puro no estado metálico. Visando contornar essa dificuldade, Dias e colaboradores usam como alternativa materiais ricos em hidrogênio que imitam a fase de supercondutora do hidrogênio puro, e podem ser metalizados a pressões mais baixas.

       Primeiro eles combinaram ítrio e hidrogênio. O superhidreto de ítrio resultante exibiu supercondutividade a uma temperatura recorde de 12°F a uma pressão de cerca de 26 milhões de libras por polegada quadrada.

       Em seguida, o laboratório explorou materiais orgânicos covalentes ricos em hidrogênio. Esse trabalho resultou no hidreto carbonáceo de enxofre. “A presença do carbono é de importância equivalente aqui”, relatam os pesquisadores. Mais ‘ajustes composicionais’ dessa combinação de elementos podem ser a chave para alcançar a supercondutividade a temperaturas ainda mais altas, acrescentam.

 

 

Fonte: https://phys.org/news/2020-10-room-temperature-superconducting-material.html

 

 

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

 

Pesquisadores identificam novo tipo de supercondutor

 por David Nutt, Universidade de Cornell

 

 

Representação de uma rede cristalina do rutenato de estrôncio (Sr₂RuO₄) respondendo a várias ondas sonoras enviadas através da espectroscopia de ultrassom ressonante à medida que o material esfria através de sua transição supercondutora em 1,4 K. A deformação destacada sugere que o material pode ser um novo tipo de supercondutor. Crédito: Universidade de Cornell

 

Até agora, a história dos materiais supercondutores tem sido um conto de dois tipos: onda-s e onda-d. Agora, pesquisadores da Universidade de Cornell descobriram um possível terceiro tipo: onda-g.

Elétrons em supercondutores se movem juntos no que são conhecidos como pares Cooper. Esse "emparelhamento" dota os supercondutores com sua propriedade mais famosa — ausência de resistência elétrica — porque, para gerar resistência, os pares Cooper devem ser quebrados, e isso requer energia.

Em supercondutores de onda-s — geralmente materiais convencionais como chumbo, estanho e mercúrio — os pares de Cooper são feitos de um elétron apontando numa direção e outro apontando na direção oposta, ambos movendo-se sem nenhum momento angular líquido. Nas últimas décadas, uma nova classe de materiais exóticos exibiu o que é chamado de supercondutividade de onda-d, pelo qual os pares de Cooper têm dois quanta de momento angular.

Os físicos teorizaram a existência de um terceiro tipo de supercondutor entre esses dois: um supercondutor de onda-p, com um quanta de momento angular e os elétrons emparelhados com spins paralelos em vez de opostos. Este supercondutor seria um grande avanço para a computação quântica porque pode ser usado para criar férmions de Majorana, uma partícula única que é sua própria antipartícula.

Por mais de 20 anos, um dos principais candidatos a um supercondutor de onda-p tem sido o rutenato de estrôncio (Sr₂RuO₄), embora pesquisas recentes tenham fragilizado essa ideia.

Usando espectroscopia de ultrassom ressonante de alta resolução, Ramshaw e sua equipe descobriram que o material é potencialmente um tipo totalmente novo de supercondutor: onda-g.

Como nos projetos anteriores, os pesquisadores usaram espectroscopia de ressonância ultrassônica para estudar as propriedades de simetria da supercondutividade em um cristal de rutenato. No entanto, ao contrário das tentativas anteriores, encontraram um problema significativo ao tentar realizar o experimento.

Resfriar o ultrassom ressonante a 1 K é difícil, e tivemos que construir um aparelho completamente novo para conseguir isso, disse Ghosh.

Com sua nova configuração, a equipe de Cornell mediu a resposta das constantes elásticas do cristal - essencialmente a velocidade do som no material - a uma variedade de ondas sonoras à medida que o material esfriava através de sua transição supercondutor a 1,4 K.

Esse é de longe os dados de espectroscopia de ultrassom ressonante de maior precisão já tomados a essas baixas temperaturas, disse Ramshaw.

Com base nos dados, eles determinaram que o rutenato de estrôncio é o que é chamado de supercondutor de dois componentes, o que significa que a forma como os elétrons se unem é tão complexa, que não pode ser descrita por um único número, ele precisa de uma direção também.

Estudos anteriores haviam usado espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) para reduzir as possibilidades de que tipo de material de onda poderia ser, eliminando efetivamente a onda-p como opção.

Ao determinar que o material era de dois componentes, a equipe de Ramshaw não só confirmou essas descobertas, mas também mostrou que o rutenato de estrôncio não era um supercondutor convencional de onda-s ou -d.

Mesmo que você não possa identificar todos os detalhes microscópicos com o ultrassom ressonante, você pode fazer declarações amplas sobre quais são descartadas, disse Ramshaw. Então, as únicas coisas com as quais os experimentos são consistentes são essas coisas muito, muito estranhas que ninguém nunca viu antes. Uma delas é a onda-g, que significa momento angular 4. Ninguém nunca pensou que haveria um supercondutor onda-g.

Agora, os pesquisadores podem usar a técnica para examinar outros materiais para descobrir se são potenciais candidatos a onda-p. No entanto, o trabalho sobre o rutenato de estrôncio não está concluído.

Esse material é extremamente bem estudado em muitos contextos diferentes, não apenas por sua supercondutividade, disse Ramshaw. Entendemos que tipo de metal é, por que é um metal, como ele se comporta quando você muda de temperatura, como ele se comporta quando você muda o campo magnético. Então você deve ser capaz de construir uma teoria de por que se torna um supercondutor melhor aqui do que em qualquer outro lugar.

Mais informações: 

 DOI: 10.1038/s41567-020-1032-4, 

www.nature.com/articles/s41567-020-1032-4

 

 

Fonte: https://phys.org/news/2020-09-superconductor.html